Cursusnota's Ontwerpmethodologie les 1

VRIJE UNIVERSITEITBRUSSEL

Ontwerpmethodologie4WE, 4TT, 4LR, 2.2LR, 2.2WB, 3.2LR

Prof. S. Vanlanduit

Voorwoord

Ongeveer 30% van het Bruto Nationaal Product is afkomstig van de verkoopvan producten die de laatste vijf jaren werden ontwikkeld en 90% van deproducten die we zullen gebruiken binnen de 10 jaar bestaan nog niet [18].Naast dit rechtstreekse economisch draagvlak biedt het product ontwerp doorinnovatie nog tal van andere toegevoegde waarden voor het socio-economischklimaat in Vlaanderen. Bovendien is productontwikkeling een bedrijvigheiddie zich manifesteert over verschillende sectoren en op verschillende schalen.Gezien de productie van producten meer en meer naar lage loonlanden ver-schuift wordt het behoudt van de belangrijke product kennis die het ontwerpinhoud steeds belangrijker. Deze decentralisatie en de bijhorende herverdel-ing van de rol van de verschillende teams (ontwerp en productie) zorgt er-voor dat de organisatie en communicatie van het ontwerp een zeer belangri-jke taak binnen het ontwikkelingsproces wordt. Door de hogere eisen vande consumenten naar kwalitatieve maar goedkopere producten wordt het on-twikkelingsproces alsmaar complexer. Daarnaast komt nog de groeiende con-currentie (o.a. van China, Japan, Oost-Europa) die bovenop de kwaliteits-en prijsdruk ook een steeds kortere ontwerptijd nodig maakt. Voorgaandeargumenten tonen de noodzaak van een methodologische aanpak van het on-twerpproces van een product - zoals in deze cursus beschreven wordt - aan.In het bijzonder zullen volgende vraagstellingen rond het ontwerpproces aanbod komen:

• Wat zijn de verschillende stadia van het ontwerpproces, en welke toolszijn er voorhanden om de resultaten in de verschillende stadia in kaartte brengen?

• Hoe kunnen de ontwerp projecten op een efficiente manier gepland wor-den (opeenvolging van de taken, deadlines, allocatie van resources)?

• Wanneer zijn de ontwerp inspanningen rendabel? Hoe bereken ik dekost van een product?

i

ii VOORWOORD

• Welke doelgerichte strategieen kunnen aangewend worden om bepaaldedoelstellingen te realiseren (vb. milieuvriendelijk ontwerp)?

• Wat zijn de mogelijkheden en beperkingen van computer ondersteuningbij het ontwerpen.

Deel 1 in de cursus handelt over de organisatie van het ontwerpprocesen is voornamelijk gebaseerd op de referentiewerken [16, 13] (de economischeaspecten komen aan bod in [3]). De informatie rond Deel 2 - doelgerichtontwerp aspecten - is overgenomen uit [12]. Voor de materie met betrekkingtot Deel 3 - computerondersteund ontwerpen werden de werken [5, 4] en dehandleiding van het SolidWorks software pakket gebruikt.

Lijst met afkortingen

ANOM: Analysis of means

ANOVA: Analysis of variance

AOA: Activity on Arrow

AON: Activity on Node

BE: Break-even

BCG: Boston Consultancy Group

BOM: Bill of Materials

CAD: Computer Aided Design

CPM: Critical Path Method

CRF: Capital Recovery Factor

DCF: Discounted Cash Flow

DFA: Design For Assembly

DFM: Design For Manufacturability

DFU: Design For Use

DIN: Deutsche Industrie Norm

DOE: Design Of Experiments

DSA: Design Sensitivity Analysis

ECO: Engineering Change Orders

EV: Earned Value

ix

x INHOUDSOPGAVE

FDM: Fused Deposition Modelling

FORM: First Order Reliability Method

GPS: Geometrische productspecificatie

IRR: Internal Rate of Return

LiDS: Lifecycle Design Strategy

LOM: Laminated Object Manufacturing

MPO: Milieugerichte Productontwikkeling

MPS: Materiele productspecificatie

PDF: Probability density function

PDM: Product Data Management

PERT: Project Evaluation and Review Technique

PO: Productontwikkeling

QFD: Quality Function Deployment

QLF: Quality Loss Function

RAM: Responsibility Assignment Matrix

RSM: Response Surface Methodologie

SFF: Sink Fund Factor

SLA: Stereolithografie

SLS: Selective Laser Sintering

SNR: Signal-to-noise ratio

SPS: Structurele productspecificatie

TM: Transformation Method

VA: Value Analysis, Value Engineering

WA: Waarde Analyse

WBS: Work Breakdown Structure Template

Deel I

Organisatie van hetmechanische ontwerp proces

1

Hoofdstuk 1

Algemeenheden omtrent hetontwerpproces

1.1 Inleiding

Ontwerpen is het aangeven van de beste oplossingen om aan een behoeftete voldoen met behulp van beschikbare middelen en met inachtneming vanmaatstaven van natuurkundige en maatschappelijke aard.

De term ’behoefte’ in deze definitie geeft aan dat het onderzoek vande klanteneisen een belangrijk deel van het ontwerp vormen (deze wordenopgesteld in de zogenaamde specificatie fase zoals verder besproken wordt).Verder dient het ontwerp uitgevoerd te worden met ’beschikbare middelen’(financiele, materiele en menselijke). De allocatie van deze middelen is hetonderwerp van de project planning fase. Het doel van een ontwerpprojectbestaat niet uit het rechtlijnig uitwerken van een oplossing voor een ontwerp-probleem maar het genereren van verschillende mogelijke ’oplossingen’ (ofwelconcepten) waarvan er enkele weerhouden zullen worden voor de uitwerkingvan de vormgeving in het gedetailleerd ontwerp.

Ontwerpproblemen zijn in het algemeen zeer vaag geformuleerd (bv. ’ont-werp een manier om twee platen bij elkaar te houden’ i.p.v. ’bereken dedikte van een bout die twee platen bij elkaar houdt die belast worden meteen kracht van 100N’). Dit impliceert dat er veel mogelijke oplossingen zijnvoor het ontwerpprobleem en dat meestal nog extra informatie moet verwor-ven worden (bv. moeten de platen gedemonteerd kunnen worden, wat zijnde omgevingstemperaturen, etc.). Het verwerven en organiseren van dezeinformatie is een zeer belangijke taak tijdens het ontwerp en zal in verschil-lende hoofdstukken in deze cursus behandeld worden. Bovendien heeft hetontwerpprobleem geen unieke optimale oplossing maar talrijke bevredigende

3

4 HOOFDSTUK 1. ALGEMEENHEDEN

oplossingen (naargelang kost, ergonomie, kwaliteit of een combinatie hiervanals maatstaf wordt gebruikt).

Deze cursus handelt niet over het ontwerp van een welbepaald type pro-duct maar introduceert algemene concepten die toepasbaar zijn in het ont-werp van elk mechanisch (of elektronisch) onderdeel of systeem van onderde-len.

Waarom deze abstractere aanpak? Door een aantal strategische doel-stellingen wordt de nood aan een systematische ontwerpaanpak groter:

• De groeiende complexiteit van mechanische ontwerpen die leidt tot denood aan een overkoepelende structuur (o.a. integratie electronisch,mechanisch, thermisch ontwerp).

• De hoge druk van de markt naar snellere product ontwerpen (gere-duceerde ’time-to-market’)

• De concurrentie in de markt brengt een vraag met zich mee naar lagereprijzen, hogere kwaliteit (vb. minituarisatie van electronica, ergonomie,etc.). Dit kan alleen gegarandeerd worden door een efficiente en gestruc-tureerde ontwerpstrategie.

In dit hoofdstuk worden enkele algemene basiskenmerken van het ont-werpproces geıntroduceerd. Deze zijn toepasbaar zowel voor elektrische,bouwkundige, mechanische, scheikundige of software productontwerpen.

1.2 Variabelen in het ontwerpproces

De belangrijkste variabelen van het ontwerpproces zijn weergegeven in Figuur1.1. Deze factoren – die behoren tot de drie categorieen ontwerp, productie enmarketing – zijn echter zeer sterk gerelateerd tot elkaar. Enkele voorbeelden :

• Promotie vs. vorm : de vorm (en ook de functie) van het product speelteen belangrijke rol in de marketing.

• Prijs vs. materialen.

• Planning vs. plaats.

• Etc.

Om de efficientie van het productontwikkelingsproces te toetsen wordenmeestal de onderstaande drie maatstaven gebruikt :

• Kost

1.2. VARIABELEN IN HET ONTWERPPROCES 5

Plaats

Promotie

ProductPrijs

Product ontwerp

Marketing

Productie

Vorm

FunctieMaterialen

Kost

PlanningFaciliteiten

SystemenProductieprocessen

Figuur 1.1: Factoren in het ontwerpproces

• Kwaliteit

• Time-to-market

Hoewel de kost van een product een belangrijke parameter is in het on-twerpproces, is de eigenlijke ontwerpkost slechts marginaal in de totale on-twikkelingskost van een product (zie het voorbeeld van Ford in Figuur 1.2).Daarentegen is het effect op de kwaliteit van het product zeer groot (in hetvoorbeeld in Figuur 1.3 kunnen productkost verschillen – te wijten aan deefficientie van het ontwerp – tot 50% waargenomen worden).

Dit betekent dat de beslissingen genomen tijdens het ontwerpproces weinigkosten maar veel invloed hebben op de kost van het product. De kost van hetproduct wordt bovendien reeds zeer vroeg in de ontwerpfase vastgelegd, daarwaar de eigenlijke gespendeerde kost slechts later in het ontwikkelingssta-dium in belangrijke mate toeneemt (zie Figuur 1.4). Hierbij stuit met opeen paradox : in het begin van het ontwerpproces is de ontwerpvrijheid noggroot (en kunnen de meest kost effectieve oplossingen gekozen worden) maartegelijkertijd is de kennis omtrent het ontwerpprobleem nog klein. In eenlater stadium neemt de kennis toe maar wordt de vrijheid beperkt door dekosten die wijzigingen dan met zich mee brengen.

Het ontwerpproces heeft een zeer grote invloed op de product kwaliteit,zowel vanuit het perspectief van (a) de consument (functie, duurzaamheid,gebruikersgemak, onderhoud) als, (b) de producent (uitvalwaarschijnlijkheidin productie en tijdens inspectie bij verdelers).


5%

30%

15%

50%

Ontwerp

Overhead

Loonkost

Materiaal

Figuur 1.2: Voorbeeld van de verdeling van de ontwerpkost bij Ford MotorCompany.

Om concurentieel te blijven moeten ondernemingen constant inspannin-gen leveren om hun producten op de markt te brengen na een zo kort mogelijkontwikkelingsproces (dit noemt men de reductie van de time-to-market. Ditkan op verschillende manieren gerealiseerd worden :

• Allocatie van (human) resourses (vooral tijdens het begin van het on-twerpproces).

• Gestructureerde omgeving (organisatie, management).

• Gebruik van state-of-the-art ontwerp tools (CAE, virtual prototyping,etc.).

Het gebruik van een gereduceerd aantal veranderingen (alternatieven) vanhet ontwerp (of alternatieve concepten) kan – hoewel in eerste instantie eenreductie van de time-to-market gerealiseerd wordt – zeer nadelig zijn voorhet resultaat van het ontwerp (de trouble-shooting nodig bij problemen ineen later statium van het ontwerp impliceert een grote kost en tijd).

1.3. CONCURRENT ENGINEERING 7

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Efficienteproductie

Gemiddeldeproductie

Inefficienteproductie

Goed ontwerp

Gemiddeld ontwerp

Slecht ontwerp

Figuur 1.3: Impact van de productie en het ontwerp op de kost voor koffieze-tapparaten (uit [17]).

1.3 Concurrent engineering

In de huidige almaar verder globaliserende markt komen steeds de volgendedrie strategische doelstellingen naar voren:

• Verkorting van de doorlooptijd van het ontwerpproces. Nieuwe pro-ducten moeten sneller naar de markt. Een product dat te laat op demarkt komt, zal zowel minder marktaandeel verkrijgen als een slechterewinstmarge bezitten.

• De kwaliteit leveren die de markt vraagt. Het gaat daarbij tegenwo-ordig om meer dan het voldoen aan esthetische, functionele en onder-houdseisen, het gaat bijvoorbeeld ook om eisen voor afbreekbaarheiden recycling.

• De integrale kosten van het product moeten omlaag. De kosten moetenniet zo maar omlaag. De kosten moeten drastisch omlaag. Ordes inde grootte van 30% komen veelvuldig voor. Het Lopez-effect breidtzich uit tot andere branches dan de automobielindustrie, bijvoorbeeldvliegtuig-, scheeps-, planten utiliteitsbouw. (Lopez was degene die na-mens Volkswagen tegen de toeleveranciers zei dat ze alleen nog mochtenleveren tegen een 30% lagere prijs.)

Uit deze eisen vloeit een aantal uitdagingen binnen een ontwerpprocesvoort, die van grote invloed zijn op de strategische doelstellingen. De meestvoorkomende zijn de volgende:


6

-0

20

40

60

80

100

Tijd

Spec

ifica

tie

%va

nde

pro

duct

ieko

st

Con

ceptu

eelon

twer

p

Pro

duct

ontw

erp

Gemaakte kosten

Vastgelegde kosten

Figuur 1.4: Vastgelegde productiekost tijdens de verschillende stappen in hetontwerp.

• Informatie die juist, volledig en maar voor n uitleg vatbaar is en impli-ciet dus ook goed wordt beheerd. Het resultaat is dan dat onderdelendirect goed worden gemaakt en bij de samenbouw passen.

• Effectieve communicatie voor een optimaal gebruik van de beschikbarekennis en een goed verloop van het proces. Het resultaat is dan dat deklant het product krijgt dat hij verwacht en dat de delen op de bestmogelijke manier kunnen worden gemaakt met de beschikbare midde-len.

• Duidelijke en vastgestelde verantwoordelijkheden en een effectief pro-cesmanagement. Het resultaat is dan heldere beslissingen en keuzesop de goede momenten in het proces. 4 Het klassieke sequentile pro-ductcreatieproces omvormen tot een proces met zo veel mogelijk par-allelle processen. In de meeste bedrijven is dit al jarenlang een evolu-tionaire ontwikkeling, maar berust veelal op persoonlijke initiatieven, isincidenteel en ongestructureerd. De uitdaging is de parallelle processenoptimaal te ontwerpen en structureel in de organisatie te verankeren.

Tot begin jaren ’80 bestond het ontwikkelingsprocess van een product(of proces) uit sequentiele overdracht van informatie tussen de verschillendebetrokkenen (zie Figuur 1.7). Deze aanpak zorgt er voor dat het uiteindelijkeproduct niet altijd op de beste manier gerealiseerd wordt (bv. deskundigen inde productieafdeling zijn vaak beter op de hoogte van de materialen en hunbijbehorende bewerkbaarheid die door ontwerpingenieurs in de ontwerpfasegekozen werden).


Productie

Klanten

Marketing

Ontwerp

Figuur 1.5: Klassieke ontwikkelingsstrategie.

In de zogenaamde concurrent engineering (Eng.: concurrent, Ndl.: si-multaan) aanpak voor productontwikkeling worden zowel project teams, on-twerpmiddelen en -technieken en informatie omtrent het product (o.a. vereis-ten van de klanten) en de productieprocessen tegelijkertijd in beschouwinggenomen.

Productie

Klanten

Marketing

Ontwerp

Figuur 1.6: Concurrent engineering ontwikkelingsstrategie.

De volgende tien kenmerken liggen aan de basis van concurrent engineer-ing [2, 15] :

• Focus op het volledige productleven (deze ’product levenscyclus’ isweergegeven in Figuur 1.8).

• Definitie van ontwerpproject teams.

• Het proces zelf is even belangrijk als het product.

• Aandacht voor de planning.

• Ontwikkeling van productvereisten.

• Stimulering van meervoudige conceptgeneratie.


• Bewustzijn van het beslissingsproces.

• Aandacht voor kwaliteit tijdens alle stappen van het ontwikkelingspro-ces.

• Gelijktijdige ontwikkeling van ontwerp en productieproces.

• Communicatie naar de geschikte personen op het juiste moment.

Een aantal van deze kenmerken worden hieronder in meer detail bespro-ken:

• Gelijktijdige activiteiten Het basiskenmerk van Concurrent Engi-neering is gelijktijdigheid. Ofwel diverse activiteiten in verschillendefasen binnen het proces lopen tegelijkertijd zonder dat de een wachtop het eindresultaat van de ander. Een natuurlijke vorm van par-allel verlopende fasen in het productcreatieproces is het proces zoalsgegeven in Figuur 1.6. Het proces in een generieke vorm. Een anderevorm van Concurrent Engineering is dat op basis van een beperkt ge-ometriedeel, bijvoorbeeld het buitenoppervlak van een motorkap, doorhet gereedschapsconstructiebureau gereedschappen worden ontworpen,gedetailleerd en gepland om te worden gemaakt, terwijl de ontwerpersnog met de detaillering van het product bezig zijn. Ook kunnen op basisvan voorlopige afspraken diverse disciplines hun systemen ontwerpen ineen beperkte ruimte, bijvoorbeeld montagerekken, dozen, equipement,kabels, kanalen en pijpen. De ontwerpers van de structuur vervolgentegelijkertijd hun eigen weg. Binnen een enkele applicatie kunnen par-allelle activiteiten worden uitgevoerd door het ontwerp te delen. Bij-voorbeeld twee bedrijven die ieder een deel van het structuurontwerpverzorgen. De interfacerelaties tussen de structuurdelen zijn duidelijkgedefinieerd en vastgelegd. Hoewel er bij Concurrent Engineering ineerste instantie gedacht wordt aan activiteiten uit fasen van het procesdie klassiek na elkaar werden uitgevoerd, hoeft dit natuurlijk niet hetgeval te zijn. Er kunnen zelfs hele verschuivingen optreden, bijvoor-beeld een ontwerpafdeling die alleen nog maar de buitendimensies vanstalen kasten opgeeft en de detaillering verder overlaat aan de toelever-ancier die de kasten maakt. Die kan dat sneller, goedkoper en beter.Van Concurrent Engineering is ook sprake bij de systeemontwerper diezijn systemen plaatst in de ruimtes die hem daarvoor aangewezen zijn.Een andere ontwerper gaat onafhankelijk verder met de ruimtes daar-buiten.


• Gelijktijdige betrokkenheid Het tweede belangrijke kernpunt vanConcurrent Engineering is gelijktijdige betrokkenheid. Kennis en er-varing van alle facetten van de levenscyclus van het product moetenzo vroeg mogelijk in het ontwerpstadium aan bod komen. ConcurrentEngineering is dat de productieafdeling in een vroeg stadium in het on-twerpproces te kennen kan geven dat een deur gemaakt van composiet-materiaal in twee delen ontworpen moet worden, omdat de menselijkearm te kort blijkt te zijn om een mal voor de gehele deur goed tekunnen beleggen. Concurrent Engineering is ook de gelijktijdige be-trokkenheid van de klant. Een Amerikaanse vliegtuigbouwer betrokeen lokale en een Europese luchtvaartmaatschappij in het bouwteamvoor een nieuw ontwerp van een vliegtuig. Door de betrokkenheid vande Europese klant kreeg het nieuwe ontwerp gemakkelijk en snel ver-plaatsbare pantries, waardoor het toestel zeer snel in allerlei passagiers-/vrachtconfiguraties is om te zetten. Concurrent Engineering is alsdoor gebruikmaken van ervaring van de samenbouwer het ontwerpac-cent vanaf het begin wordt gelegd op de bouwbaarheid. Dit wordt weldesign for assembly genoemd. En zo zijn er intussen nog meer termengegroeid, zoals design for cost en design for manufacturing. Dit zijn dusde twee hoofdkenmerken: gelijktijdige activiteiten ten behoeve van hetversnellen van het ontwerpproces en gelijktijdige betrokkenheid voorhet verbeteren van het product en het proces.

• Vrijgave voor een gegeven aantal activiteiten In het klassiekeproces werd een resultaat, een tekening, een document, vrijgegevenvoor de rest van het proces. Dit is bij Concurrent Engineering nietmeer mogelijk omdat het risico van verandering blijft zo lang een voor-gaande activiteit niet is afgerond. Men neemt een gewogen risico meteen deelresultaat voor een deel van het proces. Een voorbeeld is dat debuitengeometrie van de motorkap wordt vrijgegeven voor de aanmaakvan een stuk gereedschap, omdat men niet wil wachten tot de motorkapin al zijn details vastligt. Dat zou immers het ontwerp en de fabricagevan het gereedschap, en daarmee het gehele proces vertragen. Maar datstuk gereedschap is daarmee niet automatisch goedgekeurd om produc-tie te draaien. Er kan immers nog steeds een wijziging komen.

• Duidelijk gedefinieerde en vastgelegde ontwerpen procesver-antwoordelijkheid Om de snelheid van het proces te verhogen wordenrisicos genomen. Dit levert vaak geld op, maar het gaat ook wel eensmis. Er moet bijvoorbeeld toch een wijziging worden doorgevoerd,waardoor een duur stuk gereedschap opnieuw moet worden gemaakt.


In een situatie waar op persoonlijke initiatieven parallelle activiteitenplaatsvinden, heeft de initiatiefnemer schuld als het werk opnieuw gedaanmoet worden terwijl de vruchten worden geplukt door de projectleid-ing. De managementverantwoordelijkheden van een proces dat gevoerdwordt volgens een Concurrent Engineering-benadering moeten daaromgoed vastliggen.

• Design Build Teams Aan gelijktijdige betrokkenheid ligt een goedecommunicatie ten grondslag. Deze gelijktijdige betrokkenheid moetleiden tot goede keuzes en beslissingen. In de praktijk realiseert mendit meestal met ontwerpteams of bouwteams. Boeing introduceerde denaam Design Build Team. Buiten de officiele communicatie binnen hetteam zouden in het ideale geval alle betrokkenen op alle niveaus kennismoeten kunnen nemen van en reactie kunnen geven op de informatiedie voor hen van belang zou kunnen zijn.

• Geıntegreerd gebruik van informatietechnologie Hoewel Con-current Engineering een geweldige uitwerking kan hebben op een aan-tal belangrijke uitdagingen van de industrie, is het toepassen ervanheel duidelijk aan een aantal randvoorwaarden gebonden. De kwaliteitvan het proces wordt beter, maar het beheer wordt complexer. Zon-der toepassen van PDM tools (Product Data Management) zullen deproblemen alleen maar toenemen. Ook bij de distributie van gegevensonder de belanghebbenden speelt de informatietechnologie een belan-grijke rol. Daarbij kan gedacht worden aan opvraagbare en automatischgedistribueerde informatie vanuit het PDM-systeem.

Wat is er met concurrent engineering te bereiken. Studies tonen aandat een gemiddelde besparing valt te bereiken van tien tot vijftien procentvan de bruto-omzet. Rolls Royce heeft zijn Trent-motor ontwikkeld met eenbesparing van ruim een derde van de kosten en met een verkorting van dedoorlooptijd van eveneens meer dan een derde van de geschatte oorspronkelijkbenodigde tijd. Hewlett Packard heeft voor een bepaald product het kosten-niveau teruggebracht tot twintig procent. General Electric Aircraft Enginesbracht de doorlooptijd voor de ontwikkeling van een nieuw rotorblad vanachttien maanden terug naar zeven maanden. Al deze verbeteringen zijnbehaald door een combinatie van bovenvermelde uitdagingen te realiserenen enige vorm toe te passen van wat tegenwoordig wordt aangeduid metConcurrent Engineering, of in het Nederlands met Geıntegreerde Producton-twikkeling.


BE H O E F T E - PRO D U C T- PRO D U C T- PRO D U C T I E -

FA S E N O N D E R Z O E K P R I N C I P E D E TA I L L E R I N G VO O R B E R E I D I N G RE A L I S E R I N G SU P P O RT

Markt Vaststellen Gebruiks- Gebruiks- Over-

eisen onderzoek vastlegging dracht

Product Vaststellen Principe Ontwerp Detaillering Samenstellen

producttype constructie Serv. document

Productie Bouwproces Vaststellen Productie- Productie- Productie

overwegen productietype specificatie detaillering

Studie>>>>>>>>Ontwerp>>>>>>>>Detaillering>>>>>>>>>>Productie>>>>>>>>>>Nazorg>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Figuur 1.7: Het concurrent engineering proces.

Noden identificeren

Ontwerp proces planning

Ontwikkel specificaties

Ontwikkel concepten

Ontwikkel product

Produceren

Assembleren

Verdelen

Installeren

Gebruik

Schoonmaak

Onderhoud

Afschrijving

Demonteren

Hergebruik, recyclage

Figuur 1.8: Levenscyclus van een product.

Hoofdstuk 2

Het mechanisch ontwerpproces

In dit hoofdstuk wordt een beknopt overzicht van de verschillende fasen inhet ontwerpproces gegeven. Meer informatie omtrent de structuur van hetontwerpproces is te vinden in [16] (waarop dit hoofdstuk gebaseerd is).

2.1 Terminologie in het ontwerpproces

Door de groeiende complexiteit van producten worden alsmaar meer mensenbetrokken bij het ontwerpproces, en bijgevolg wordt hierbij de communicatiesteeds belangrijker. Hierdoor is het uiteraard nodig om over gemeenschap-pelijke terminologie voor objecten, methodes en acties te beschikken. Enkeleveelgebruikte termen (met hun Engelstalige vertalingen) worden in deze para-graaf besproken.

Een systeem (Eng.: system) is een groep van objecten die een welbepaaldegemeenschappelijke functie hebben.

Elk systeem kan opgedeeld worden in :

• ofwel in sub-systemen die een specifieke deeltaak uitvoeren.

• ofwel in een samenbouw (Eng.: assembly) van componenten die devorm van het systeem bepalen.

Zowel systemen als componenten hebben welbepaalde kenmerken (Eng.:features) zoals dimensies, vorm, materiaaleigenschappen, functionele details,etc.

Functie (Eng.: function) is de gewenste output van een systeem dat nogontworpen moet worden. Gedrag (Eng.: behavior) is de eigenlijke output vanhet huidig ontwerp van een systeem. Performantie is de maat voor functieen gedrag.

15

16 HOOFDSTUK 2. HET MECHANISCH ONTWERPPROCES

Afhankelijk van de ervaringen die in het verleden reeds werden opgedaanmet vergelijkbare ontwerpen en de beschikbare informatie (i.e. mate vanconcreetheid van het ontwerp probleem) onderscheidt men verschillende typesvan mechanische ontwerp problemen :

• Selectief ontwerp (Eng.: selection design) betreft de keuze van eenof meer items uit een lijst van vergelijkbare items (vb. keuze van eenlager) - vaak uit een catalogus.

• Configuratie ontwerp omvat het assembleren van een componentendie reeds gedesigned zijn (vb. layout van elektronische en mechanischeonderdelen in een fototoestel).

• Parametrisch ontwerp omvat het vinden van waarden voor ken-merken die het object karakteriseren (vb. keuze van diameter en hoogtevan een cilindrisch vat dat een gegeven hoeveelheid vloeistof moet be-vatten).

• Origineel ontwerp slaat op het ontwikkelen van een component, pro-ces of systeem dat voorheen niet bestond.

• Herontwerp (Eng.: Redesign) is het meest voorkomende ontwerpprobleem (vb. hydraulische actuator met lengte 0.25m voorheen geleverdwordt ontworpen met lengte 0.3m).

• Volgroeid ontwerp (Eng.: Mature design) handelt over een ontwerpdat nauwelijks veranderd is gedurende meerdere jaren.

Verschillende voorstellingen kunnen worden gebruikt om een object – zijhet een systeem, assembly of component – voor te stellen tijdens het ontwerp :

Semantisch Textuele voorstelling van het object (vb. woord ’moer’).

Grafisch Tekening van een object (vb. schets of plan tekening van eenmoer).

Analytisch Vergelijkingen, regels en procedures om de vorm of functie vaneen object weer te geven (vb. τ = F

A).

Fysisch De hardware of een fysisch model van het object (schaalmodel,prototype, etc.).

In elk van de voorstellingen evolueert het ontwerp van abstract naar con-creet (grafisch: ruwe schetsen over schaal tekeningen naar 3D tekeningenmet toleranties). Deze evolutie noemt men verfijning (Eng.: Refinement).

2.2. HET ONTWERP TEAM 17

2.2 Het ontwerp team

2.2.1 Informatie verwerking

Het startpunt van het ontwerpproces zijn de cognitieve processen die zich af-spelen bij de ontwerp ingenieur. Om deze te beschrijven kan het zogenaamde’informatieverwerkingsmodel’ gebruikt worden :

• Korte termijn geheugen (typisch 7 stukjes informatie, snel te acced-eren).

• Lange termijn geheugen (ongelimiteerde capaciteit).

• Controller (encoderen van externe informatie, opzoeken van gegevensin het lange termijn geheugen en verwerken m.b.v. het korte termijngeheugen).

• Externe omgeving : tijdelijke uitbreiding van het korte termijn geheugen(vb. schets op papier).

Het probleem oplossen bij het ontwerp gebeurt in volgende stappen :

Het probleem verstaan Parsen van de informatie in deelproblemen. Ver-gelijken met informatie in het lange termijn geheugen.

Een oplossing genereren Het probleem in deelproblemen ontbinden, partieledeeloplossingen zoeken en deze deeloplossingen combineren.

De oplossing evalueren

Beslissen

Afhankelijk van de persoonlijke kenmerken van de ontwerp ingenieur kun-nen verschillende dimensies van het probleem oplossen waargenomen worden :

• Introvert vs. extrovert.

• Feiten vs. mogelijkheden georienteerd denken.

• Objectieve vs. subjectieve aanpak.

• Vastberaden vs. flexibel.

Vaak laat men in het ontwerp teams bewust verschillende persoonlijkhedensamen werken om het creatief denken (i.e. probleem oplossen op een originelemanier) te stimuleren.


2.2.2 Teams

In tegenstelling tot vroeger waar een enkele ontwerp ingenieur een volledigontwerp voor zijn rekening nam zijn tegenwoordig ganse teams hiervoor ver-antwoordelijk. Dit komt voornamelijk door de groei van de complexiteit vanontwerpen (zie voorbeeld Figuur 2.1) en de grotere multi-disciplinariteit vanontwerpen (vb. mechatronica: combinatie van mechanica, elektronica ensoftware ontwerp).

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

1800

1840

1880

1920

1940

1980

2000

Jaar

Aan

tal

co

mp

on

en

ten

Automobiel

Luchtvaart

Figuur 2.1: Evolutie van het aantal componenten in het ontwerp van wagensen vliegtuigen).

Meestal is een ingenieur lid van een team voor zijn specifieke kennis enervaring in een bepaald domein. Daarnaast is er ook een tweede rol voorelk lid van het team met betrekking tot de probleemoplossende capaciteiten.Onderstaande rollen worden onderscheiden :

• Organisator/coordinator : geschikt als voorzitter van het team, heeftniet noodzakelijk veel technische expertise of creatieve bijdragen.

• Createur : ontwikkeld nieuwe ideeen die anderen kunnen uitwerken.

• Resource-onderzoeker : exploreert mogelijkheden zonder deze in detailuit te werken.

• Motivator : dynamisch assertief, maakt objectieve beslissingen.

• Evaluator : heeft een goede visie op de algemene doelstelling.

2.2. HET ONTWERP TEAM 19

• Team werker : subjectieve beslissingsnemer die probeert een consensusin de groep te bereiken.

• Oplosser : persoon die ideeen op een betrouwbare en efficiente manierin oplossingen omzet.

• Voltooier : nauwgezet, levert tijdig resultaten, detail-georienteerd endelegeert weinig.

Volgende richtlijnen kunnen worden gebruikt om de performantie van deteams te optimaliseren :

• Houd het team productief.

• Selecteer teamleden op basis van hun vaardigheden (domein-specifieken probleemoplossend).

• Definieer duidelijke gedragsregels.

• Stel een aantal onmiddellijke prestatiegerichte doelen.

• Organiseer regelmatig samenkomsten.

• Ontwikkel een gemeenschappelijk inzicht (d.m.v. communicatie).

In het ontwerpteam zijn verschillende rollen te onderscheiden. In kleinebedrijven (of kleine projecten) kan een persoon verschillende rollen uitvoeren,terwijl bij grote projecten elke rol door verschillende personen wordt vervuld :

• Product design ingenieur: draagt verantwoordelijkheid van het ont-werp.

• Product manager: vertegenwoordigt de link tussen de klant en hetproduct (wordt ook vaak marketing manager genoemd).

• Manufacturing ingenieur: heeft een brede kennis van fabricage pro-cessen om het ontwerp te ondersteunen.

• Detailer: zijn verantwoordelijk voor het in detail uitwerken van hetontwerp (o.a. documentatie) na initiatie van de design ingenieur in hetinitieel stadium van het project.

• Drafter: schetsen en tekening maken van het product.

• Technieker: test apparaten ontwikkelen, experimenten uitvoeren, etc.


• Materiaalkundige: deze functie wordt vaak uitgevoerd door de materi-aalleverancier.

• Quality assurance/quality control specialist: de QA zorgt ervoor dathet product voldoet aan pertinente codes en standaarden terwijl de QCingenieur de statistische verwerking tijdens het proces uitvoert.

• Analyst: maken gebruik van gespecialiseerde software om vragen omtrentontwerp performatie op te lossen.

• Industrieel ingenieur: zijn verantwoordelijk voor de vorm van het pro-duct en de interactie van het product met de klant.

• Assembly manager: is verantwoordelijk voor het samenbouwen van hetproduct.

• Vertegenwoordigers (leveranciers of verkopers): deze kunnen in ver-schillende stadia van het ontwerpproces ingeschakeld worden (met bi-jgevolg een dalende mate van bijdrage in het ontwerpproces).

Ontwerp teams kunnen op verschillende manier samengesteld worden:

• Functionele organisatie (ongeveer 13% van de ontwerp teams is op dezemanier georganiseerd): elk project wordt toevertrouwd aan een teamdie gefocust zijn op een discipline (vb. aerodynamica).

• Functionele matrix (26%): een project manager met beperkte verant-woordelijkheid wordt aangeduid om een project te coordineren oververschillende functionele groepen (de functionele managers behoudende verantwoordelijkheid voor hun deeltaken).

• Balanced matrix (16%): een project manager wordt aangesteld omsamen met de functionele managers verantwoordelijkheid te dragen omhet project te volbrengen.

• Project matrix (28%): een project manager draagt de verantwoordeli-jkheid voor het ganse project. Functionele managers duiden personeelaan en verlenen technische expertise.

• Project team (16%): een project manager neemt de leiding van eengroep teamleden gerecruteerd bij verschillende functionele groepen (func-tionele managers zijn niet betrokken).

De praktijk wijst uit dat samenstellingen georganiseerd rond het project(i.p.v. rond een discipline) het meest kans op succes hebben.

2.3. HET ONTWERPPROCES 21

2.3 Het ontwerpproces

2.3.1 Overzicht

De organisatie van het ontwerpproces varieert in functie van een aantal fac-toren :

• Het product: oplage, mate van innovatie, complexiteit, etc.

• De industrie: geografische ligging, sector, grootte v.h. bedrijf, mark-taandeel, etc..

• De omgeving: klanten eisen, beschikbare ondersteuning (vb. onderaan-nemers), etc.

Niettegenstaande deze variatie kan een generisch diagramma van de ver-schillende fasen van het ontwerpproces opgesteld worden (deze is weergegevenin Figuur 2.2. Dit schema geld zowel op component als op assembly niveauen kan voor de verschillende types van ontwerp problemen toegepast worden(zoals deze beschreven werden in Sectie 2.1).

Gezien meer kennis wordt opgedaan naarmate het ontwerp vordert is hetverloop van het ontwerp proces iteratief. Na beslissingen in design reviewmeetings (aangegeven door de ruiten in Figuur 2.2) kunnen verfijningen inhet begin van de fase of de vorige fase uitgevoerd worden.

Bij de organisatie van de design review meetings moet steeds :

• Vooraf een agenda van de meeting opgemaakt worden.

• De presentaties moeten kwaliteitsvol zijn (verstaanbaar, gestructureerd,met visuele ondersteuning).

• Achteraf moet een lijst van actiepunten opgemaakt worden (deze wordtopgenomen in het verslag van de vergadering).

In de volgende paragrafen worden de verschillende fasen van het ontwerp-proces, zoals weergegeven in Figuur 2.2, afzonderlijk besproken.

2.3.2 Project definitie en project planning

Twee types ontwerp projecten kunnen onderscheiden worden : markt gedreven(80%) en technologie gedreven (20%). Echter elk markt gedreven productmoet aan de recente technologie voldoen om als kwalitatief te worden beschouwden technologie gedreven producten moeten een markt hebben om de kost vanhet ontwerp te overdekken (deze laatste projecten vereisen bovendien meestal


een hoge mate van investering in research en development). De meesteontwerp projecten betreffen re-designs en zijn bij gevolg meestal markt-gedreven : klanten willen dat het product goedkoper, beter, duurzamer, etc.wordt. Nieuwe marktgedreven producten of verbeteringen van bestaandeproducten ontstaan meestal uit ideeen van marketing departementen. Detechnologie gedreven producten zijn het gevolg van onderzoek en ontwikke-ling (R&D, Research en development), dat typisch 2 tot 10 percent van deomzet van een bedrijf uitmaakt.

De project planning is een van de belangrijkste activiteiten in het ont-werp proces. Hierbij worden resources voor het voltooien van een projectge-alloceerd (budgetten, personeel, materieel) en wordt ervoor gezorgd dattijdens het ontwerp de juiste informatie op het geschikte tijdstip aan de juisteteamleden beschikbaar wordt gemaakt. Gezien de planning speculaties naarde toekomst vereist is de planning voor een re-design eenvoudiger dan vooreen volledig origineel ontwerp. Het resultaat van de planning is een blueprintvan het process om het product tot stand te laten komen. In de laatste decen-nia bestaan meer en meer de trend om naast het product zelf ook het proceste laten evolueren. Een belangrijke indicator van het groeiende belang vanhet proces (t.o.v. het product) is het toenemend gebruik van de ISO-9000standaard (kwaliteitsmanagement systeem). Het behalen van een ISO-9000certificatie betekent dat het bedrijf :

• Operaties standardiseert, organiseert en controleert.

• Een constante dissiminatie van informatie voorziet.

• Statistische data en analyse gebruikt voor bedrijfsprocessen.

• De klantenreacties m.b.t. producten en diensten opneemt.

• Verbeteringen stimuleert.

Er zijn verschillende redenen waarom ondernemingen overgaan tot hetaanvragen van een ISO-9000 certificatie : de noodzaak om kwaliteit en kostvan producten onder controle te houden, om competitiever te worden, omte voldoen aan de eisen van een klant of omdat een regulerend orgaan ditvereist (vb. luchtvaart). De ISO certificatie geeft zelf geen richtlijnen voorhet ontwikkelen van producten maar vereist van bedrijven dat het ontwikke-lingsproces gedocumenteerd is (de certificatie duidt dus niet de kwaliteit vanhet process aan).

Een belangrijke beslissing die gemaakt dient te worden tijdens de projectplanning is het aantal en de vorm van de prototypes die zullen worden uit-gevoerd. Men onderscheid:


MediumFase Fysisch Analytisch Grafisch

(vorm en functie) (vooral functie) (vooral vorm)Concept Proof-of-concept Back-of-the-envelope Schetsen↓ Proof-of-product Engineering analyse Layout tekeningen

Proof-of-proces Eindige elementen Detail tekeningenEindproduct Proof-of-productie Gedetailleerde simulatie Solid modellen

Tabel 2.1: Types modellen in de verschillende fasen van het ontwerp proces.

• Proof-of-concept prototype: ontwikkelen van de functie van het pro-duct voor vergelijk met de specificaties of klanten eisen. De vorm, hetmateriaal en het fabricageproces zijn hier niet van belang.

• Proof-of-product prototype: help componenten en samenbouwen te ver-fijnen (geometrie, materialen productieproces en functie zijn van be-lang).

• Proof-of-process prototype: voor functioneel testen (exact materiaal enproductieproces).

• Proof-of-production prototype: wordt gebruikt om het ganse produc-tieproces uit te testen (pre-production run).

De recente ontwikkeling van rapid prototyping technologie (o.a. laser sin-tering, etc.) heeft de efficientie van het bouwen van prototypes verhoogd.Tegenwoordig is er een trend naar computermodellen om het aantal fysischeprototypes te beperken. Dit komt er op neer dat men een ontwerp-test-bouwcyclus gebruikt i.p.v. een ontwerp-bouw-test cyclus (zie Figuur 2.3). Opdie manier kunnen tijd en kosten die gepaard gaan met het produceren vanprototypes bespaard worden. Een overzicht van mogelijke modellen die ge-bruikt worden doorheen het ontwerp proces is weergegeven in Tabel 2.1. InHoofdstuk 10 worden enkele rapid prototyping technieken besproken om dezemodellen op een snelle en efficiente manier te realiseren.

Tijdens de project planning fase wordt een ’project plan’ gemaakt. Ditis een document dat de taken definieert die nodig zijn tijdens het ontwerpproces. Voor elke taak worden objectieven, personeelsnoden, vereiste tijd,timing relatief tot andere taken en eventueel kosten gespecifieerd. Dit gebeurtin vijf stappen:

Stap 1 Identificeer de taken. De taken moeten zo specifiek mogelijk gemaaktworden.


Stap 2 Formuleer de objectieven voor elke taak. Wat is de input en outputvan elke taak? Definieer milestones en deliverables.

Stap 3 Schat de nodige resources. Gebruik makende van de complexiteitvan de functie van het product kan bijvoorbeeld de nodige ontwerptijdgeschat worden: T = A ∗ PC ∗ D0.85, met: A een constante gebaseerdop de mate van communicatie binnen het bedrijf (vb. A = 150 vooreen groot bedrijf met gemiddelde communicatie), PC de product com-plexiteit (PC =

∑j Fj met j het niveau in het functiediagram en Fj

het aantal functies op dat niveau) en D de moeilijkheid van het project(schaal 1 tot 3).

Stap 4 Plan de opeenvolging van de taken. De beste manier om dit plan inde praktijk te brengen is de zogenaamde Gantt chart die o.a. commer-cieel verkocht wordt onder de productnaam Microsoft Project. Specialeaandacht moet besteed worden aan de afhankelijkheid van taken: se-quentieel, parallel (gekoppeld of niet). Dit kan eenvoudig weergegevenworden in onder de vorm de Design Structure Matrix (DSM). Dit is eenmatrix met zowel in de kolommen als de rijen de verschillende taken.Voor elke rij wordt een symbool aangeduid in de kolommen van detaken waarvan de betreffende taak afhankelijk is.

Stap 5 Schat de productontwikkelingskosten. Het schatten van deze kostenkomt verder aan bod (in Hoofdstuk 4).

De verschillende processen die belangrijk zijn bij de project planning wor-den in detail besproken in het volgende hoofdstuk (Hoofdstuk 3 : ’ProjectManagement’).

Tijdens de ’project definitie fase’ komen verschillende marketing aspectenvan het ontwerp aan bod :

• Wat is het potentieel voor de ’Return On Investment (ROI)’?

• Past het product binnen het bedrijfsimago?

• Zijn de juiste verdeelkanalen beschikbaar?

• Is er voldoende productiecapaciteit in huis of bij gekende onderaan-nemers?

• Wat zal het product kosten?


2.3.3 Specificatie in het ontwerpproces

In de specificatie fase – die ook wel eens de concipierende fase wordt ge-noemd – wordt gezocht naar een constructieve oplossing voor de beoogdebehoefte. Het komt er op aan het probleem op de juiste wijze te formulerenen vervolgens te analyseren. Als resultaat van deze analyse wordt een helderzicht gekregen op de te vervullen hoofdfunctie van de toekomstige technis-che inrichting. Vervolgens zal creatief worden gezocht naar geschikte fysischeof chemische processen, waarmee de hoofdfunctie kan worden vervuld. Hetdoel in de specificatie fase is het verstaan van het ontwerp probleem en hetleggen van de grondslag voor het ontwerp. Dit eerste is niet altijd eenvoudiggezien het ontwerp probleem meestal vaag geformuleerd is. In deze eerstestap worden: de klanten geıdentificeerd en de klanteneisen gegenereerd (deverschillende types van klanteneisen zijn weergegeven in Tabel 2.2). Dezeeisen worden dan gebruikt om de concurrentie te beoordelen. Daarna wor-den meetbare features van het ontwerp opgegeven d.m.v. engineering speci-ficaties. Tevens worden target waarden voor deze features vastgelegd.

Bij het genereren van producteisen is het belangrijk deze eisen voldoenaan een aantal voorwaarden. Ze moeten :

• Toelaten om verschillende producten te onderscheiden.

• Meetbaar zijn.

• Orthogonaal zijn (d.w.z. dat er geen overlap is tussen de eisen).

• Universeel zijn (d.w.z. dat de evaluatie van de eis mogelijk is voor alleontwerp alternatieven).

• Extern zijn (d.w.z. de performatie moet van buitenaf meetbaar zijn engeen betrekking hebben op de interne werking van het ontwerp).

Een product dient in het algemeen te voldoen aan een groot aantal eisenen wensen die vanuit een veeltal gezichtspunten zijn gedefinieerd. Deze eisenen wensenkunnen ingedeeld worden in:

• kostprijs: verkoopbaarheid (eisen van de gebruiker, situering van hetproduct in de omgeving).

• functioneerbaarheid (eisen van het systeem zelf).

• fabriceerbaarheid (eisen van het productiesysteem).

Deze eisen kunnen verder ingedeeld worden in :


• Eisen vanuit de gebruiker:

– specifieke klantenwensen

– functievervulling in gebruikerstermen.

• Eisen vanuit de situering van het product in de omgeving:

– omgevingscondities

– materiaaleisen

– veiligheid

– ergonomie

– milieu-eisen

– esthetische eisen

– politiek

– marktbeperkingen

– concurrentie

– patenten

– bedrijfsnormen

– wettelijke voorschriften

– te gebruiken voorschriften en normen

– einde levensduur, sloop.

• Eisen ten aanzien van het systeem zelf:

– Gebruikstermen:

∗ functievervulling in gebruikerstermen

∗ gebruiksprofiel

∗ kwaliteit en betrouwbaarheid

∗ beproevingen

∗ afmetingen

∗ gewicht

∗ opslag

∗ shelf life

∗ vervoer

∗ verpakking

∗ installatie en in bedrijf stellen


∗ levensduur.

– Onderhoudstermen:

∗ onderhoud

∗ Beheer: documentatie.

• Eisen ten aanzien van het productiesysteem:

– productieprocessen

– productiefaciliteiten

– productaantallen.

Het programma van eisen wordt als volgt nader ingedeeld:

• Strikte eisen Dit zijn de eisen waaraan nauwkeurig moet wordenvoldaan. Bijvoorbeeld het ontwerpen van een motor met een vermogenvan X kW 5%.

• Minimale eisen Dit zijn de eisen waarbij een verlangde waarde moetworden gehaald of overschreden. Het specifieke brandstofverbruik zalminder dan Y zijn.

• Wensen De wensen zijn die punten uit het programma van eisenwaaraan verder geen bijzondere voorwaarden zijn gesteld. Wanneeraan deze wensen wordt tegemoetgekomen, heeft het product wel eenmeerwaarde, maar pas nadat aan hoofdzaken is voldaan.

Deze indeling heeft twee bedoelingen. Allereerst leggen we hier eenduidigvast wat wij precies moeten ontwerpen. Vervolgens leggen we vast wat derelatieve zwaarte is van de eisen, zodat we daar bij onze afwegingen en eval-uaties rekening mee kunnen houden.

Het resultaat van de behoefteanalyse (programma van eisen) is dat deontwerper een helder zicht heeft gekregen op de te realiseren handel- of werk-wijze en daarmee op de te vervullen functie(s) van de te ontwerpen technischeinrichting. Dit noemen we de externe functie(s). Het bepalen van de hoofd-functie en het definieren van de deelfuncties is een belangrijke activiteit.Wanneer de ontwerper in dit stadium hoofden bijzaken niet weet te schei-den, valt er geen goed productvoorstel te verwachten, maar meer een toevalligsamenraapsel van suboptimalisaties. Men moet er bij deze functiebepalingvoor waken niet onmiddellijk in oplossingen te gaan denken. Dit blokkeerthet vinden van de juiste oplossingen. Het heeft de voorkeur de functies opeen bepaald abstractieniveau te definieren. Bij het definieren van de externe(deel)functies maakt men gebruik van de in de systeemtheorie gebruikelijke


blokschemas. De blokken stellen handel- of werkwijzen voor. De functiesworden in de blokken aangegeven met behulp van een zelfstandig naamwo-ord en een werkwoord, bijvoorbeeld stof verzamelen (zie Figuur 2.4 voor hetschema van een fruitpers). Men kan dit aanvullen met gegevens omtrent dehoeveelheid en de kwaliteit. Van veel nut is het om de grens van het sys-teem aan te geven. Via deze grens vindt overdracht met de buitenwereldplaats. Als het goed is, vindt men op de grenzen de overdracht terug in hetprogramma van eisen.

Er bestaan verschillende manieren om product specificaties te gener-eren. Een van de beste en momenteel zeer populaire methode is de zoge-naamde QFD (voluit ’quality function deployment ’). De QFD methode werdgeıntroduceerd in de jaren ’70 in Japan (zie [19]) en werd voor het eerst ge-bruikt bij Mitsubishi. Met behulp van de QFD methode wist Toyota tot 60%van de kosten te reduceren om een nieuw auto model op de markt te brengen(zie Figuur 2.5) en ook andere grote bedrijven zoals Hewlett-Packard, NASA,Xerox, AT&T en ITT gebruiken de methode. Gebruik makende van de QFDmethode wordt het zogenaamde ’house of quality ’ opgebouwd [9].

De verschillende stappen (i.e. de kamers zoals schematisch weergegevenin Figuur 2.6) in het house of quality worden hieronder besproken. Terillustratie is een voorbeeld van een House of Quality voor het ontwerp vaneen wagen deur gegeven in Figuur 2.8.

Stap 1: who Identificeer de klanten. De belangrijkste klanten zijn de con-sumenten. In de concurrent engineering methodologie worden ook hetmanagement, productie en onderhoudspersoneel als klant beschouwd.

Stap 2: what Bepaal de klanteneisen. Uit onderzoek is gebleken dat ge-bruikers producten willen die: werken zoals het moet, lang meegaanen eenvoudig te onderhouden zijn. Het doel is echter niet enkel aande klanteneisen te voldoen, maar de klanten aan te sporen om hetproduct te kopen (i.e. zorgen dat ze niet gewoon tevreden zijn maarverheugd). De mate waarin klanten verheugd zijn over een bepaald pro-duct kan beschreven worden met het diagram van Kano (zie [10]) zoalsweergegeven in Figuur 2.7. De standaard features worden door de con-sument verondersteld aanwezig te zijn (zoniet zal hij afkerig zijn). Dezestandaard eisen worden niet opgenomen in de QFD specificatie van devereisten. Het feature performantie is daarentegen wel een belangrijkeklanteneis in het house of quality. De ’wow’ features zijn deze die deklant niet verwacht in een product. Consumenten reageren neutraal opde afwezigheid van deze kenmerken. In functie van de tijd evolueren de’wow’ features naar performantie features die op hun beurt tot stan-


daard eisen kunnen gereduceerd worden. Vanuit het Kano diagram kanbepaald worden welke functies nodig zijn om de klant aan te trekken.

Een overzicht van verschillende types van mogelijke klanteneisen isweergegeven in Tabel 2.2. De functionele performatieeisen beschrijvenhet gewenst gedrag van het product. Hoe beter de functie van een ont-werp gekend is des te vollediger worden de functionele eisen. Daaromis het genereren van deze eisen iteratief binnen de verschillende fasen inhet ontwerpproces. De menselijke factoren brengen de interactie metde mens in rekening die voor bijna elk product vereist is (i.e. de ma-nipulering van het product en perceptie van de status van product).Fysische eigenschappen en fysieke interfaces met andere objecten zijnbegrepen in de fysieke eisen. In de betrouwbaarheid wordt nagegaanhoelang het product wordt geacht mee te gaan en wat er gebeurt bijfaling van een of meerdere onderdelen. Vereisten m.b.t. stadia vande levenscyclus van een product buiten het eigenlijk gebruik van hetproduct worden vaak over het hoofd gezien. Deze vereisten kunnenechter een belangrijke invloed hebben op andere eisen (vb. het gekozendistributiekanaal beınvloed de fysieke eisen).

Stap 3: who vs what Bepaal het relatief belang van de eisen. Dit resul-teert in een gewichtsfactor voor elk van de klanten eisen welke een ideekan geven over een zinvolle spendering van resources voor het voldoenaan de verschillende eisen.

Stap 4: now Hoe tevreden is de klant nu? In welke mate vindt de klantdat de concurrentie aan elk van de vereisten kan voldoen? Deze zo-genaamde ’competition benchmarking ’ wordt uitgevoerd door voor elkvan de concurrerende producten aan elk van de vereisten een score van1 tot 5 te geven naargelang ze voldaan is. Op die manier komen oppor-tuniteiten voor verbetering naar boven (lage scores van concurrentenmet een hoge gewichtsfactor).

Stap 5: how Hoe wordt aan de vereisten voldaan? Hierbij worden engineer-ing specificaties ontwikkeld vanuit de klanteneisen (i.e. herformulatievan het ontwerpprobleem aan de hand van meetbare parameters mettarget waarden).

Stap 6: how vs what Dit is het relateren van klanteneisen met engineer-ing specificaties. Meestal wordt volgende onderverdeling van de matewaarin how en wat gerelateerd zijn: sterke relatie, gemiddelde relatie,zwakke relatie, geen relatie. Deze verschillende niveaus van relaties wor-


den met behulp van symbolen schematisch weergegeven in het house ofquality.

Stap 7: how much Vastleggen van engineering target waarden. Deze zullenlater in het ontwerp gebruikt worden om te evalueren of het productaan de klanteneisen voldoet. De targets bevatten initieel een tolerantievan typisch 30% maar verder in het ontwerp proces worden de targetsbeter benaderd. Wanneer de targets veel verschillen van deze van deconcurrentie is het raadzaam ze in vraag te stellen: is er een voordeelt.o.v. de concurrentie (technologisch) of zijn de targets te ambitieus?

Stap 8: How vs how Op welke manier zijn de engineering specificatiesafhankelijk van elkaar? Deze (positieve of negatieve) correlatie wordtnet als in Stap 6 opnieuw met symbolen weergegeven in het house ofquality.

Gezien het house of quality zeer veel informatie bevat kan dit wordengebruikt als documentatie- en communicatiemiddel tijdens de specificatie fasein het ontwerp.

2.3.4 Het conceptueel ontwerp

De klanteneisen die gedefinieerd worden in de specificatie fase vormen de ba-sis om een conceptueel model te genereren (in dit stadium van het ontwerpwordt de functie vastgelegd maar nog niet de vorm). De vooraf gedefinieerdetargets worden gebruikt om het concept te evalueren (m.a.w. een conceptis een idee dat voldoende ontwikkeld is om de fysische eigenschappen diehet gedrag bepalen te evalueren). Hoewel het conceptueel ontwerp slechtde beginfase van het ontwerp is en er op dat moment nog weinig kennis ism.b.t. de concepten, worden reeds hier de beste alternatieven uit verschil-lende concepten gekozen. Frequente iteratie tussen het genereren, evaluerenen beslissen van concepten is in het beginstadium van het ontwerp procesgoedkoop (zoals voorheen reeds bleek uit Figuur 1.4) en leidt bijgevolg toteen efficient ontwerp.

De functie van een ontwerp is de logische stroming van energie, materi-aal en informatie tussen objecten of de verandering van staat van een objectveroorzaakt door een van deze flows. De types energie die in electromechanis-che systemen voorkomen zijn o.a. : mechanische, elektrische, thermische enstromingsenergie. Deze energie wordt getransformeerd, opgeslaan, getrans-fereerd, gedissipeerd en toegevoerd doorheen het product. De functie kanonderverdeeld worden in drie klassen naargelang de betrokken acties :


Functionele performantie ResourcesEnergiestroom TijdInformatiestroom KostMateriaalstroom KapitaalOperationele stappen EenheidVolgorde van bediening Materieel

Menselijke factoren StandaardenUitzicht OmgevingKracht en bewegingscontrole Fabricage eisenMate van controle en aanvoelen Materialen

Fysieke eisen kwantiteitBeschikbare ruimte Intern/externFysische eigenschappen

BetrouwbaarheidMean time between failuresVeiligheid

LevenscyclusDistributieOnderhoudsgemakDiagnose mogelijkhedenTestmogelijkhedenHerstellingsmogelijkhedenSchoonmaak mogelijkhedenInstalleergemakAfdanking

Tabel 2.2: Types van klanteneisen.


• Doorstroming (materiaalconserverende acties): opheffen, positioneren,vasthouden, ondersteunen, verplaatsen, roteren, begeleiden, etc.

• Divergente stroming (verdelen van het materiaal) : verdelen, demon-teren, etc.

• Convergente stroming (samenstellen van materialen) : mixen, vast-hechten, positioneren t.o.v., etc.

De informatiestroom wordt gebruikt als een intern automatisch controle sys-teem of een interface met de operator/gebruiker. De functie van een apparaatkan begrepen worden door de decompositie in onderdelen, zoals gedefinieerdin de volgende stappen :

Stap 1 Voor het volledige apparaat, bestudeer de interface met andere ob-jecten: wat is de stroming van energie en informatie van en naar degebruiker?

Stap 2 Verwijder een onderdeel voor een gedetaileerde studie: wat is dewisselwerking met andere onderdelen (hoe zijn ze fysisch gelinkt, watis de functionele afhankelijkheid)?

Stap 3 Bestudeer de interface van elk van de componenten om de energie-stroom te achterhalen: vb. rotatie wordt in translatie omgezet.

De patent literatuur is een goede bron van ideeen voor een conceptueelontwerp. Er bestaan twee soorten patenten: utility patenten (die de functievan een idee beschermen) en design patenten (deze behelzen de vorm vaneen idee en vormen een minderheid van ingediende patenten). Een voorbeeldvan de eerste pagina van een utility patent patent wordt getoond in Figuur2.9 (het volledige patent telt 50 pagina’s waaronder 63 figuren). Het zoekennaar toegekende patenten kan d.m.v. patent databanken. Met de introductievan het internet is dit veel eenvoudiger geworden (een mogelijk bron is dezoekrobot op de European Patent Office website: http://www.espacenet.comdat momenteel 45 miljoen patenten bevat). Er kan gezocht worden op vol-gende kenmerken:

• Woorden in de titel (zie veld (54) in het voorbeeld in Figuur 2.9).

• Woorden in het uittreksel (zie veld (57) in het voorbeeld in Figuur 2.9).

• Publicatienummer (zie veld (11) in het voorbeeld in Figuur 2.9).

• Aanvraagnummer (zie veld (21) in het voorbeeld in Figuur 2.9).


• Prioriteitsnummer (zie veld (30) in het voorbeeld in Figuur 2.9).

• Publicatiedatum (zie veld (43) in het voorbeeld in Figuur 2.9).

• Aanvrager (zie veld (71) in het voorbeeld in Figuur 2.9).

• Uitvinder (zie veld (72) in het voorbeeld in Figuur 2.9).

• Classificatie (IPC) (zie veld (51) in het voorbeeld in Figuur 2.9). Deeerste letter in dit nummer duidt de klasse aan:

A: Landbouw

B: Uitvoeren van operaties, transport

C: Scheikunde, metallurgie

D: Textiel, papier

E: Vaste constructies

F: Werktuigkunde, verlichting, verwarming, wapens

G: Fysica

H: Elektriciteit

Andere belangrijke onderdelen van het patent zijn:

• De beschrijving

• De claims (verklaring van de unieke functie van een toestel)

• Tekeningen

• Een verslag van de opzoekingen van het patent bureau (met daarincitaten naar relevante patenten). In het patentvoorbeeld uit Figuur2.9 worden een kleine 50 patenten geciteerd.

Het doel van functioneel modelleren is het probleem op te splitsen naarstroming van energie, materiaal en informatie. Er zijn vier stappen om dezedecompositie uit te voeren :

Stap 1 Zoek de algemene functie die moet verwezenlijkt worden. Het ap-paraat moet (zich baserend op de klanteneisen) omschreven worden alseen ’black box’: wat zijn de in- en de outputs?

Stap 2 Creeren van de subfunctie beschrijvingen: een zo verfijnd mogelijkeidentificatie van de noden.


Stap 3 Ordenen van de subfuncties: op welke manier (logische of chronol-ogische volgorde) moeten de subfuncties uit Stap 2 uitgevoerd wordenom de functie uit Stap 1 te verwezenlijken?

Stap 4 Verfijnen van de subfunctie structuur naar de functionele organ-isatie.

De kans is reeel dat bij het ontwikkelen van een concept dit conceptreeds in het verleden werd gebruikt. Het grote probleem is dat de ideeendie ontwikkeld werden tussen de zestiende en de twintigste eeuw niet op eensystematische wijze zijn opgeslagen en ge indexeerd. Van de ideeen die welzijn opgetekend (bv. in patent databanken) zijn vaak zeer talrijk en zijngeındexeerd op vorm i.p.v. functie. Om te zorgen dat tijdens het ontwerpvan een apparaat het wiel niet opnieuw uitgevonden wordt kan beroep wordengedaan op een van de bestaande systematische concept generatie methodes:

• Brainstorming: hierbij worden alle ideeen (meestal geproduceerd ingroep) opgetekend zonder evaluatie.

• De 6-3-5 methode: Een team van typisch 6 mensen noteert telkens3 ideeen die na vijf minuten worden bekeken door het volgend teamliddat op zijn beurt opnieuw drie ideeen genereert.

• De Gallery methode

• De Delphi methode

• De synectics methode

• Gebruik van analogieen: welk ander object gebruikt voorziet indezelfde functie (vb. velcro en honingraatstructuren uit de natuur).

• Gebruik van extremen: dimensies zeer groot of klein maken, volgo-rde van objecten veranderen, iets stijf flexibel maken, etc.

• Externe expertise: leveranciers en fabricanten hebben vaak ervaringdoor communicatie met concurrerende bedrijven.

• Literatuur: tijdschriften (vb. Journal of Mechanical Design), web-pagina’s (vbn. http://www.machinedesign.com, www.designnews.com,www.manufacturing.net, www.engineersedge.com), patenten, etc.

• De morphologische methode: hierbij worden zoveel mogelijk ideeenontwikkeld die de subfuncties kunnen uitvoeren. Deze worden dangecombineerd in algemene concepten die aan de functionele vereisten


Oplo

ssin

gen

Voeding Lamp type Intensiteit Grootte Stijl Afwerking Materiaal

Batterij Halogeen Laag Zeer groot Modern Zwart Metaal

Net Fluorescent Gemiddeld Groot Antiek Wit Keramiek

Zonne-energie Daglicht Hoog Gemiddeld Romeins Teracotta Beton

Generator Gekleurd Variabel Klein Art Nouveau Metallic Been

Zwengel Zeer klein Industrieel Stof Glas

Gas Etnisch Natuurlijk Hout

Petroleum Email Steen

Vlam Plastic

Tabel 2.3: Voorbeeld van een morfologische matrix voor het ontwerp van eenlamp

voldoen. De morfologische methode werd eind jaren ’40 ontwikkelddoor de Zwitserse sterrenkundige Fritz Zwicky [22, 21]. De methodestart van een grid van kolommen (die de relevante functies van hetontwerp bevatten) en rijen (die de mogelijke concepten voor de deel-functies bevatten, voorgesteld d.m.v. schetsen of text). Van zodrade matrix opgevuld is moeten de individuele oplossingen gecombineerdworden tot een conceptueel ontwerp (merk op dat alle deelfuncties nietnoodzakelijk evenveel concepten moeten bevatten). Een nadeel van demethode is dat een groot aantal concepten worden gegenereerd (com-binatorisch explosief). Twee voorbeelden van de methode zijn gegevenin Tabel 2.3 en Figuur 2.10.

• Logische methodes: de theorie van inventieve machines (TRIZ), ax-iomatisch ontwerp en de methode van Pugh. De eerste methode (TRIZ)is het acroniem voor de Russische zin ”Theorie van de inventieve ma-chines”. De ideeen van TRIZ gaan er vanuit dat de meeste van de on-twerpproblemen reeds opgelost zijn (in een andere industrietak, een nietgerelateerde situatie en met een andere technologie). De TRIZ meth-ode maakt gebruik van contradicties (tussen verschillende eigenschap-pen van een ontwerp zoals sterkte en gewicht) en inventieve principes(die geextraheerd zijn uit een functionele classificatie van patenten):

1. Zoek de belangrijkste contradicties die het ontwerp moeilijk maken.

2. Gebruik een van de 40 inventieve TRIZ principes (zie AppendixA)

Axiomatisch design is gebaseerd op de relatie tussen vier ontwerp domeinen:klant, functie, fysisch en proces. De klanteneisen (customer needs of


CN) moeten aanleiding geven tot functionele vereisten (functional re-quirements of FR). Een functie uit de FR is vertegenwoordigd door in-teractie tussen fysische elementen. Deze fysische elementen zijn gekarak-teriseerd door ontwerp parameters (design parameters of DPs). Pro-ces variabelen (PVs) relateren elementen van het fabricage proces diehet ontwerp proces beınvloeden. Het eerste axioma uit de axiomatis-che ontwerp aanpak is het onafhankelijkheidsaxioma: ’onderhoud deonafhankelijkheid tussen FRs’ (d.w.z. dat een verandering van eenspecifieke DP enkel effect heeft op een FR). Het tweede axioma is:’Minimaliseer de informatie bevat in het ontwerp’ (hoe simpeler hoebeter).

Na het genereren van een aantal concepten moet beslist worden welkeconcepten ontwikkeld zullen worden in producten. Het doel is om zo weinigmogelijk resources te spenderen om te beslissen welke concepten tot kwaliteit-sproducten kunnen uitgroeien. Deze evaluatie vereist zowel besluitvorm-ing als vergelijk (zowel absoluut m.b.t. een target als relatief t.o.v. al-ternatieven). Gebaseerd op subjectieve waardeoordelen van een ontwerperkunnen op voorhand drie oordelen over een concept genomen worden:

1. Het concept is niet uitvoerbaar, haalbaar: de technologie is niet beschik-baar, het concept voldoet niet aan de klanteneisen, het concept wijkt teveel af van de gebruikelijke producten, het idee is niet origineel genoeg.Deze ideeen die verworpen worden kunnen wel meer inzicht geven inhet probleem.

2. Het concept is werkbaar mits aanpassingen of veranderingen in deomgeving: beschikbaarheid van technologie, informatie die momenteelniet beschikbaar is.

3. Het loont de moeite om het concept verder te beschouwen.

Na de subjectieve beoordeling worden de concepten onderworpen aaneen objectieve screening gebaseerd op: (a) de criteria gedefinieerd in deklanteneisen (zie het ’house of quality’ boven), (b) de gereedheid van degebruikte technologie. Na de screening wordt een ’go’ of ’no-go’ gegevenaan elk van de concepten. In dit stadium worden niet enkel slechte ontwer-pen verworpen, maar worden ook nieuwe concepten gegenereerd: conceptenmet slechts enkele no-go’s kunnen aangepast worden. De maturiteit van eentechnologie kan bepaald worden aan de hand van volgende zes maten:

1. Zijn de kritische parameters die de functie controleren geıdentificeerd?


1. Elastische vervorming 9. Fretting2. Plastische vervorming 10. Kruip3. Brosse breuk 11. Thermische schade4. Ductiele breuk 12. Knik5. Vermoeiing 13. Stralingsschade6. Corrosie 14. Erosie7. Slijtage 15. Delaminatie8. Impactschade 16. Oxidatie

Tabel 2.4: Falingsmodes van een mechanisch onderdeel

2. Zijn het veilige werkingsgebied en de gevoeligheid van de parametersgekend?

3. Zijn de falingsmodes bekend (zie Tabel 2.4)?

4. Kan de technologie gefabriceerd worden met de beschikbare processen?Zoniet moet eventueel een afzonderlijk programma opgezet worden omde fabricagetechnologie te ontwikkelen.

5. Bestaat er hardware die positieve antwoorden op de vorige vragendemonstreert?

6. Is de technologie controleerbaar doorheen de levenscyclus van het pro-duct?

Een gestructureerde methode om concepten te evalueren is de zogenaamdebeslissingsmatrix methode (Eng: decision-matrix method) ook vaak de meth-ode van Pugh genoemd. De de methode voorziet een middel om elk resultaateen score te geven m.b.t. de klanteneisen en relatief t.o.v. andere conceptenen is grafisch weergegeven in Figuur 2.11. De beslissingmatrix wordt door elkvan de teamleden opgesteld en iteratief aangepast. Volgende stappen dienenuitgevoerd te worden :

Stap 1 Kies de criteria voor vergelijk (vb. met behulp van de QFD meth-ode).

Stap 2 Stel relatieve belangrijkheidsgewichten op (zie ook QFD methode).

Stap 3 Selecteer de alternatieven die zullen vergeleken worden (alle ideeenmoeten in dezelfde taal en op hetzelfde abstractieniveau zijn).

Stap 4 Evalueer alternatieven. Een van de concepten wordt als rolmodelgekozen (ev. bestaand ontwerp). Voor elk van de alternatieven wordt


geevalueerd of voor dat criterium de prestatie van de alternatieven beter(’+’ of ’+1’), hetzelfde (’S’ of ’0’) of slechter is (’-’ of ’-1’).

Stap 5 Bereken de tevredenheid aan de hand van vier scores: het aantalkeer ’+’, het aantal keer ’-’, het totaal aantal scores en het aantal ’+’scores min het aantal ’-’ scores. Tevens kan ook de gewogen som (metde belangrijkheid) uitgerekend worden.

Bij het interpreteren van de beslissingsmatrix moet een aantal zaken nage-gaan worden:

• Indien een concept een goede gemiddelde score heeft is het belangrijkna te gaan welke sterktes en zwakke punten dit concept heeft.

• Indien een score dezelfde waarde heeft voor bijna alle concepten is dezescore mogelijk niet goed gedefinieerd en moet het in meer detail bekekenworden.

• De tabel kan iteratief opgesteld worden, waarbij de best scorende con-cepten overgehouden worden.

Wanneer de kennis rond de criteria nog niet voldoende aanwezig is kande keuze van de concepten aan de hand van de beslissingsmatrix bemoeil-ijk worden of kunnen zelfs verkeerde keuzes worden gemaakt. Om dit op tevangen kan gebruik worden gemaakt van de zogenaamde ’belief maps’ dierobuuste beslissingen toelaten (waarbij men onder ’belief’ of overtuiging ver-staat: het vertrouwen in de mogelijkheid van een alternatief om de criteriumtargets te halen gebaseerd op de huidige kennis). Een belief map is georgan-iseerd in twee dimensies: kennis (beschikbare informatie en gereedheid vande technologie) en vertrouwen (zie Figuur 2.12). Gebaseerd op experimentelesteekproeven is een model opgesteld dat gebaseerd op de kennis p(k) en hetvertrouwen p(c) de overtuiging berekend aan de hand van een Baysiaansemethode: Belief = p(k)p(c) + (1 − p(k))(1 − p(c)). Waarden voor dezevergelijking zijn gegeven door de krommen in Figuur 2.13.

De waarden uit de ’belief map’ kunnen ook gebruikt worden als scores inde beslissingsmatrix.

2.3.5 De product ontwikkelingsfase in het ontwerppro-

ces

Product generatie

Na het genereren en evalueren van concepten worden de beste keuzes verfijndin producten. Deze producten worden dan geevalueerd naar performantie,


kost en produceerbaarheid.

De in tegenstelling tot de conceptgeneratiefase ligt in de ontwerp- of on-twikkelingsfase de nadruk de vorm van de producten (daarom wordt dit sta-dium ook vaak ’shape design’ of ’hardware design’ genoemd). Het verfijn-ingsproces verloopt iteraties: het ontwerp wordt achtereenvolgens gegenereerden geevalueerd waarna eventueel nieuwe verfijningen of wijzigingen toegepastworden.

Tekeningen zijn een belangrijk aspect van de productontwikkelingsfase.Ze worden gebruikt om:

• De geometrische vorm van het product te archiveren.

• Ideeen te communiceren tussen ontwerpers en tussen ontwerpers enproductiepersoneel.

• Analyse te ondersteunen.

• De werking van het product te simuleren.

• De volledigheid van het product te controleren.

• Als extensie van het korte termijn geheugen van de ontwerpers.

• Te dienen als een synthese hulpmiddel (ongestructureerde ideeen samen-brengen en nieuwe concepten genereren).

Tijdens het maken van tekeningen moet nauwgezet te werk gegaan worden.Een studie van General Electric heeft aangetoond dat 60% van alle compo-nenten niet gefabriceerd wordt zoals ze getekend zijn. De redenen hiervoorzijn verschillend:

• de tekeningen zijn onvolledig.

• de component kan niet gemaakt worden zoals gespecifieerd.

• de tekeningen zijn dubbelzinnig.

• de componenten kunnen niet samengesteld worden indien gefabriceerdzoals getekend.

Verschillende types tekeningen worden gegenereerd tijdens de productontwikkelingsfase:


Item Part nr. Hoeveelheid Naam Materiaal Bron

1 63172-2 1 Buitenbuis 1018 Carbonstaal Coyote Steel

2 94563-1 1 Rollager Bearings Inc.

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 3 As 304 Roestvrij staal Coyote Steel

10 1 Verbindingsrubber Eurthaan Reed Rubber

Tabel 2.5: Voorbeeld van een BOM

Layout tekeningen Ondersteund de ontwikkeling van de belangrijkste on-derdelen en hun onderlinge relatie. Wordt op volgens schaal getekenden wordt vaak gewijzigd gezien ze fungeert als werkdocument. De be-langrijkste dimensies worden getoond samen met de ruimtelijke con-straints (toleranties worden niet aangeduid). Notities duiden een ont-werp feature of een specifieke functie van het product aan.

Detail tekeningen Hierop worden alle dimensies met toleranties aangeduid(standaard notaties zoals de ’ANSI Y14.5M-1994 Dimensions and Tol-erances’ worden gebruikt). Materiaal en fabricage details moeten induidelijke en specifieke taal gespecifieerd worden. De detail tekeningenworden gebruikt als communicatiemiddel met de productie en dienenbijgevolg goedgekeurd te worden door het management.

Assembly tekening Het doel is te illustreren hoe onderdelen van het pro-duct samengesteld worden. Assembly tekeningen worden net als detailtekeningen ondertekend door de project verantwoordelijke. Referentiesnaar andere tekeningen (en andere documenten) worden opgegeven. Inhet bijzonder wordt elk onderdeel is geıdentificeerd met een letter ofnummer verwijzend naar de ’Bill of Materials (BOM)’. Deze BOM of’onderdelenlijst’ is een index van het product die voor elk van de on-derdelen van het product het item nr., het onderdeel nr., de nodigehoeveelheid, de naam of beschrijving van het onderdeel, het materiaal,de bron van de component bevat (voor externe onderdelen de naam vanhet leverend bedrijf). De BOM wordt typisch gemaakt in een spread-sheet. Een voorbeeld van een BOM is gegeven in Tabel 2.5.

CAD tekeningen in moderne CAD systemen is het onderscheid tussen dedrie voorgaande types tekeningen vager (vanuit solid modellen kun-nen op een semi-automatische manier detail en assembly tekeningengegenereerd worden). Deze computertekeningen kunnen ook gebruiktworden om prototypes te creeren (zie Hoofdstuk 10 over Rapid Proto-typing).

De productontwikkeling bevat een aantal basiselementen:


• Vorm generatie: ruimtelijke constraints, configuratie, connecties encomponenten. De vorm generatie gebeurt hoofdzakelijk met behulpvan layout tekeningen. De ruimtelijk constraints beschrijven de en-veloppe van het product. Configuratie is de architectuur, structuurof ordening van componenten en assemblies van componenten in hetproduct. Bij het definieren van componenten moeten alle onderdelendie: (a) afzonderlijk bewegen, (b) uit een ander materiaal bestaan, (c)verplaatst moeten worden voor de toegankelijkheid, (d) materiaal ofproductiebeperkingen inhouden, (e) bestaan uit standaard elementenof (f) kosten kunnen besparen als component beschouwd worden. Merkop dat het onderverdelen in een groter aantal componenten vaak ingrotere spanningen resulteert. Connecties ontwikkelen is het creerenen verfijnen van interfaces voor functions (relatieve posities van com-ponenten). Enkele richtlijnen bij het ontwikkelen en verfijnen van in-terfaces: (a) interfaces moeten krachtenevenwichten en een consistentestroming van energie, materiaal en informatie tonen. (b) na het on-twikkelen van interfaces met externe objecten moeten de interfaces diede meeste kritische functies uitoefenen ontwikkeld worden (moeilijkstte bereiken of belangrijkste klanteneis). (c) er met getracht wordenom de functionele onafhankelijkheid van de componenten te behouden(een variatie van een dimensie mag slechts een functie beınvloeden).(d) let op bij het verdelen van het product in verschillende onderdelen(elk onderdeel kan een rol spelen in de verschillende functies). (e) de-composities kunnen die nieuwe functies impliceren kunnen geforceerdworden. Bij het ontwikkelen van een connectie wordt deze als een vanvolgende types geklasseerd: (a) vaste niet aanpasbare connectie, (b)aanpasbare connectie, (c) verdeelbare connectie, (d) locatie connectie,(e) pivoteer of hinge connectie. Deze connecties bepalen de vrijheids-graden tussen verschillende onderdelen.

Ongeveer 20% van de dimensies in de meeste onderdelen van een ap-paraat zijn kritisch voor de performantie (de onderdelen voor func-tionele interface zijn meestal niet kritisch). Een aantal vormen wordenvaak gebruikt in de component ontwikkelingsfase: een stang, een truss(gebruik makend van triangulatie), een holle cilinder en een I-profiel.Een krachtenstromings diagramma kan worden gebruikt om te visualis-eren hoe krachten worden doorgegeven doorheen de componenten: (a)behandel de krachten zoals een vloeistof die doorheen de componen-ten stroomt. (b) de vloeistof neemt de weg van de minste weerstand,(c) schets meervoudige stromingslijnen, (d) label de stromingslijnen(T voor trekkracht, C voor drukkracht, S voor schuifspanning en B


voor buiging). Hierbij dient onthouden te worden dat krachten aan in-terfaces meestal trekkrachten zijn, terwijl schuifspanning voorkomt inadhesieven, lasnaden en wrijvingsinterfaces.

Na het ontwikkelen van componenten kunnen deze verfijnd (minderabstract gemaakt) en gepatched (veranderd zonder verfijning) worden.Verschillende types patches worden onderscheiden: combineren, de-compositie, vergroten, verkleinen, herarrangeren, omdraaien en sub-stitueren.

• Materiaal. Een ervaren ontwerper heeft reeds bij vroege concepten eenlijst van mogelijke materialen in gedachten. De keuze van de materialenin het ontwerp wordt besproken in Hoofdstuk 9.

• Productie: fabricage en assembly. Bij zowel de productie als de ma-teriaalkeuze zijn een aantal aspecten belangrijk: de hoeveelheid vanhet te produceren product, en de voorkennis m.b.t. de het gebruik invergelijkbare toepassingen, de kennis en ervaring m.b.t. het materiaalof productieproces en de beschikbaarheid (van fabricagematerieel of on-derdelen van verkopers). In Appendix B is een lijst van veelgebruiktematerialen en hun eigenschappen weergegeven.

Product evaluatie

Het doel van dit stadium is het vergelijken van de performantie van eenproduct met de engineering specificaties ontwikkeld in het vroegere stadiumvan het ontwerp proces.

De best-practices voor product evaluatie zijn hieronder beschreven:

Functionele veranderingen monitoren Bij de evolutie van het ontwerpproject van concepten naar de ontwikkeling worden door de verfijningadditionele functies toegevoegd. Er dient gewaakt te worden of detoegevoegde functies de oorspronkelijke basisfuncties niet tegenwerken.

Doelen van performantie evaluatie De product performantie evaluatiemoet: (a) resulteren in numerieke waarden, (b) de evaluatie moet aan-duiden welke kenmerken van het product eventueel moeten gewijzigdworden, (c) variaties te wijten aan productie, veroudering en omgevingmoeten geıncorporeerd worden.

Nauwkeurigheid, variatie en ruis Het doel is een nauwkeurig evaluatiemodel (i.e. grote mate van correctheid) te ontwikkelen met een kleinevariatie. Ruisfactoren (door productie, veroudering of omgeving) wor-den in rekening gebracht door het toepassen van veiligheidsfactoren.


Bovendien kan het ontwerp op dergelijke wijze gerealiseerd worden datde ruisfactoren slechts een kleine invloed hebben op de kwaliteit vanhet product. Dit zogenaamd ’robust design’ wordt verder besproken.

Modeleren van performantie Stap 1: identificeer de output parameters(kwaliteitsparameters) die gemeten moeten worden. Stap 2: noteerhoe nauwkeurig de outputs van het model moeten zijn (afhankelijkvan het stadium in het ontwerp kan een eenvoudige berekening of eenvolledig eindig-elementen model nodig zijn). Stap 3: identificeer deinput signalen, de controle parameters met hun limieten en de ruisfac-toren. Stap 4: begrijp de mogelijkheden van analytische modelleringm.b.t. de vereiste nauwkeurigheid, de noodzaak voor het gebruik vanstochastische modellen en de nodige resources (kost, tijd, materieel enkennis). Stap 5: begrijp de capabiliteiten van fysische modellen. Stap6: Selecteer de meest geschikte modelleer methode. Stap 7: voer deanalyse of experimenten uit. Stap 8: verifieer de resultaten (zijn detargets voldaan? wat moet er veranderd worden?).

Tolerantie analyse De tolerantie van een onderdeel is verondersteld gelijkte zijn aan drie keer de standaardafwijking van een steekproef. Ditbetekend dat 99.68% van alle samples binnen de tolerantie moetenvallen. Recent is er echter een trend naar het zogenaamde design for6σ (dat uiteraard nog veel moeilijker te realiseren is). Bijgevolg heefthet specifieren van lage toleranties een belangrijke invloed op de kostvan een onderdeel (zie Tabel 2.6).

Sensitiviteits analyse Sensitiviteitsanalyse is een manier om de statistis-che relatie tussen controle parameters van een ontwerp (v.b. de dimen-sies) en hun toleranties te onderzoeken.

Robuust ontwerp Deze methode werd ontwikkeld door Genichi Taguchien bestaat uit volgende stappen: Stap 1: leid een relatie tussen decontrole parameters en de kwaliteitskenmerken af. Stap 2: Genereerde vergelijking voor de standaardafwijking op de kwaliteitskenmerkengebaseerd op de standaardafwijking van de toleranties. Stap 3: losde vergelijking op om een minimum standaardafwijking te bekomenterwijl de targets nog bereikt worden. Hoewel het gebruik van fysischemodellen mogelijk is worden meestal computermodellen gebruikt omdeze methode te implementeren (zie ook Deel 3 : Computerondersteundontwerpen).

Design for cost (DFC) Een van de moeilijkste doch belangrijke taken vooreen ontwerpingenieur is het inschatten van de productie kosten. In de


Afwerking Tolerantie Kost (in%)Ruw 0.75 10Ruw 0.5 30Ruw 0.25 37Ruw 0.125 40Semi-finish 0.063 60Finish 0.025 100Grind 0.012 260Hone 0.006 390

Tabel 2.6: Relatieve kost van verschillende toleranties en bijbehorende afw-erkingsgraden voor staal.

design-for-cost strategie worden de kosten actueel gehouden doorheende verfijning van het product. De kost wordt verder in detail besproken(zie Hoofdstuk 4).

Value engineering Dit is een klantgeorienteerde aanpak die ontwikkeldwerd door General Electric in de jaren 1940. Het doel is het zoekenvan de waarde van elke component of feature van een product t.o.v. dekost (zie ook verder in Sectie 4.3).

Design for manufacture (DFM) Met DFM wordt bedoeld het verwezen-lijken van de vorm van componenten om een effectieve hoge kwaliteitsproductie toe te laten. Hierop wordt in deze cursus verder in gegaan inHoofdstuk 7 (zie ook informatie uit de cursus ’Fabricagetechnologie’).

Design for assembly (DFA) Hierbij wordt een product gemeten in ter-men van de efficientie van de montage (zie Hoofdstuk 6).

Design for reliability (DFR) Op de betrouwbaarheid van de ontwerpenwordt in deze cursus niet verder ingegaan. Zie hiervoor de cursus ’Be-trouwbaarheid en risicoanalyse’.

Design for test and maintenance Hierbij spelen menselijke factoren zoalsergonomie een zeer belangrijke rol. Dit wordt verder behandeld inHoofdstuk 5.

Design for the environment De methodologie van het milieukundig on-twerpen wordt steeds vaker aangewend in de praktijk. De verschillendeaspecten van het zogenaamde ’Green Design’ komen aan bod in Hoofd-stuk 8.


2.3.6 Lanceren en ondersteunen van het product

De taak van de ontwerpingenieur houdt niet op wanneer het ontwerp in deproductiefase is. In de concurrent engineering methodologie wordt ook eenbijdrage geleverd aan de ondersteuning van : fabricage, verkoop, support.Bovendien worden de ontwerp ingenieurs ook meer en meer betrokken bijhet afdanken van de producten en wordt reeds in een vroeg stadium van hetontwerp de duurzaamheid van de producten in rekening gebracht.

Naast de tekeningen die werden gemaakt tijdens het ontwerp proces moetener nog bijkomende documenten opgesteld worden ter ondersteuning van deproductie en verkoop van het product:

• Quality Control QC en Quality Assurance QA documentatie: wat moeter gemeten worden? Hoe? Hoe vaak?

• Fabricage richtlijnen: materieel, gereedschap processen.

• Assembly instructies: stap per stap documentatie die de samenbouwvan producten beschrijft.

• Installatie instructies: unpacking, connecties (elektrisch), opstarten,testen.

• Operating instructions: opstarten, stand-by, normale werking, nood-operatie, afsluiten.

• Onderhoudsinstructies

• Afdank instructies (schadelijke producten, demonteren).

De support van het product neemt 20 tot 30% van de engineering tijd inbeslag en omvat: ondersteunen van verkopers, interfacing met klanten, onder-steunen van fabricage en assembly en veranderingen onderhouden (als gevolgvan ontwerp fouten, een verandering in de klanteneisen of een veranderingin de materiaal of fabricageproces). Om dit laatste te verwezenlijken wor-den zogenaamde ’Engineering Change Orders (ECO)’ samengesteld. Dezebevatten:

• De identificatie van wat gewijzigd worden (onderdeel nr.).

• De reden voor de verandering.

• De beschrijving van de verandering.

• Lijst van documenten en departementen betrokken in de verandering.


• De goedkeuring van de verandering.

• Instructies van het tijdstip van introductie van de wijziging (onmiddel-lijk, volgende productie run, later).

2.3.H

ET

ON

TW

ER

PP

RO

CE

S47

Team vormen

Taken ontwikkelen

Markt onderzoeken

Werkplan en kost

schatten

Project plan

goedkeuren

Klanten

identificeren

Klanten eisen

genereren

Concurrentie

inschatten

Specificaties

genereren

Targets definiëren

Project definitie en

planning

Project

cancellen

Specificatie

definitie

Verfijnen

Project plan

goedkeuren

Project

cancellen

Ja

Verfijnen

Concepten

genereren

Concepten

evalueren

Concept beslissingen

maken

Documentatie en

communicatie

Plan verfijnen

Conceptueel

ontwerp

Concept

goedkeuren

Project

cancellen

Product genereren

Performantie en

robuustheid

Kost

Productie

Product beslissingen

maken

Product

ontwikkeling

Release voor

productie

goedkeuring

Project

cancellen

Verkopers

ondersteunen

Veranderingen

onderhouden

Klanten onderhouden

Productie en montage

onderhouden

Product

ondersteuning

Product evalueren

Documentatie en

communicatie

Verfijnen

Product afdanken

Ja

Ja

Ja

Figu

ur

2.2:Sch

ematisch

evo

orstelling

vanhet

ontw

erppro

ces).


ONTWERP

BOUW TEST

Simuleerbare technologie

Ontwerp

prototypes

Bouw verfijnde

prototypes Test

prototypes

Itereer

Analytische

modellen en

tekeningen

Bouw het

uiteindelijk

product

Itereer

Figuur 2.3: Twee mogelijke cycli die gebruikt worden tijdens het ontwerpproces: de ontwerp-test-bouw cyclus (gearceerd) en de ontwerp-bouw-testcyclus (volle pijlen).


Figuur 2.4: Externe functies van een fruitpers, waarbij de hoofdfunctie het’winnen van sap uit vruchten’.


January 1977Pre QFD

April 1984Post QFD(39% of pre QFD costs)

Preproduction costs

Startup costs

Startup and preproduction costs at ToyotaAuto Body before and after QFD

(a)

U.S. company

Design ch

ang

es

Japanese automaker with QFD made fewerchanges than U.S. company without QFD

Japanesecompany

90% oftotal Japanese

changes complete

20–24Months

14–17Months

1–3Months

+3MonthsJob #1

(b)

Figuur 2.5: (a) Kosten tijdens het ontwerp proces tijdens en voor de imple-mentatie van de QFD aanpak. (b) Aantal veranderingen tijdens het ontwerpproces voor een Japanse (met QFD) en Amerikaanse (zonder QFD) automo-bielconstructeur.

Who

Who vs

what

What

What vs how

Now vs

what

Now How

How much

How vs how

Figuur 2.6: Het ’house of quality’.


OUR CAR

A’S CAR

B’S CAR

Customer perceptions

1 2 3 4 5

Strong positive

Medium positive

Medium negative

Strong negative

Relationships

CUSTOMERATTRIBUTES

ENG

INEE

RIN

GCH

ARA

CTE

RIS

TICS

OPEN-CLOSEEFFORT

Easy to close from outside 7

• • •• • •

•••

•••

5

3

3

3

2

Stays open on a hill

Easy to open from outside

Doesn’t kick back

Doesn’t leak in rain

No road noise

EASY

TO O

PEN

AND C

LOSE

DOOR

– Ene

rgy to close door

Rela

tive Im

port

ance

– Ene

rgy to open

door

– Pea

k closing

force

+ C

heck force on leve

l groun

d

+ D

oor seal resistanc

e

+ A

coustic

transmission, w

indow

+ Road noise reduc

tion

+ W

ater resistanc

e

+ C

heck force on 10° slope

ISOLA

TION

Obje

ctiv

em

easu

res

SEALING-INSULATION

�

��

��

�

��

� �

�

� �

�

�

�

��

�

� �

��

�

��

�

��

��

�

�

�

�

�

�

Our car door

A’s car door

B’s car door

Technical difficulty

Imputed importance (%)

Estimated cost (%)

Targets

(all total 100%)

(all total 100%)

Measurement units ft-lb

ft-lb

11

9

9.5

4

10

5

7.5

12

12

11

5

6

2

9

6

6

7

1

4

2

6

10

9

11

1

9

9

7.5

18

13

14

3

1

5

12

3

2

2

1

6

6

3

.10

.10

.10

3

2

6

.10

9

5

6

3

4

9

9

70

60

60

5

3

2

70

ft-lb

ft-lb

lb/ft

lb/ ft

lb

lb

lb

lb

lb

lb

db

db

psi

psi

—

House of quality

Figuur 2.7: House of Quality van het ontwerp van een wagen deur (uit [9]).


Standaard

‘Wow’ eisen

Performantie

Tijd

Afkerig

Verheugd

Kla

nte

nte

vre

den

hei

d

Afwezig

Product functie

Volledig

geïmplementeerd

Figuur 2.8: Het diagram van Kano.


Figuur 2.9: Voorbeeld van de eerste pagina (uit 50) van een patent van eensnowboard binding.


Nail

Removal

Element

Weight of

Hammer Head

Striking

Element

Handle

Material

Handle

Size

Processed matter

from the core of a

white-dwarf star

1x10325 kg1.25 inch-diameter

grooved steel

Steel I-beam

encased in

kryptonite

Conversion of the

nail to pure energy

20 ozProcessed interior

of a neutron star

Steel with rubber

grip

3 light years

Steel claw at a 60

degree angle with

handle

16 oz1-inch diameter

grooved steel

Graphite with

Rubber Grip

22 inches

Steel claw at nearly a straight

Angle

12 oz1-inch diameter flat steel

Fiberglass with

Rubber grip

8 inches

Slides used with permission of P. Barry, MITRE/GMU

n

n

n

n

n

Figuur 2.10: Voorbeeld van morphologische matrix voor een hamer.

Alternatieven

Alternatief 1 Alternatief 2 Alternatief 3 Criteria Belangrijkheid

Criterium 1

Criterium 2

Criterium 3

….

xx

yy

zz

….

Evaluatie

Alternatief 1 met

Criterium 1

Evaluatie

Alternatief 1 met Criterium 2

Evaluatie Alternatief 1 met

Criterium 3

Evaluatie

Alternatief 2 met

Criterium 1

Evaluatie

Alternatief 2 met Criterium 2

Evaluatie Alternatief 2 met

Criterium 3

…

…

…

1 2 3

4

Tevredenheid … Score voor

Alternatief 2

Score voor

Alternatief 1 5

Figuur 2.11: De basis structuur van de beslissingsmatrix.


Zeer hoog

Zeer laag

Hoog

Gem

idd

eld

Laag

Zeer hoog

Zeer laag Hoog GemiddeldLaag

Kennis

Vertr

ou

wen

Figuur 2.12: Een blanco ’belief map’.


Zeer hoog

Zeer laag

Hoog

Gem

idd

eld

Laag

Zeer hoog

Zeer laag Hoog GemiddeldLaag

Kennis

Vertr

ou

wen

0.1

0.90.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.30.2

Figuur 2.13: Een blanco ’belief map’ met Baysiaanse ’belief’-waarden.

Bijlage A

Veertig Inventieve TRIZprincipes [1]

1. Fragmentatie

(a) Verdeel een object in onafhankelijke onderdelen

(b) Maak een object sectioneeel

(c) Verhoog de mate van segmentatie van een object

Voorbeelden:

(a) sectioneel meubilair, modulaire computeronderdelen, vouwmeter,etc.

(b) Tuinslang die kan verlengd worden door verschillende slangen metelkaar te verbinden.

(c) Polyvalente zaal waarvan het volume kan gewijzigd worden.

2. Verwijdering: in tegenstelling tot vorig principe, wordt hier het objectin niet-gelijke delen verdeeld.

(a) Verwijder een storend onderdeel of eigenschap van een object.

(b) Extraheer alleen het nodige onderdeel of eigenschap

Voorbeelden:

(a) Om vogels te verschrikken op de luchthaven, reproduceer enkelhet geluid dat vogels stoort.

(b) De hulp generator van plezierjachten die gebruikt wordt als demotor niet in werking is wordt afgezonderd om geluid en trillingente minimaliseren.

311

312 BIJLAGE A. VEERTIG INVENTIEVE TRIZ PRINCIPES [?]

3. Lokale kwaliteit

(a) Transitie van een homogene structuur van een object of omgevingtot een heterogene structuur.

(b) Laat verschillende onderdelen van een object verschillende functiesvolbrengen.

(c) Plaats ieder onderdeel van het object in condities die het meestvoordelig zijn voor de werking.

Voorbeelden:

(a) Om stof in mijnen tegen te gaan worden waterdruppels gebruikt.Fijne waterdruppels zijn effectief maar hinderen het zicht. Daaromwordt aan de buitenkant grove waterdruppels gebruikt en aan debinnenkant fijne druppels.

(b) Een potlood en slijper in een.

4. Asymmetrie

(a) Vervang een symmetrische vorm met een asymmetrische vorm vanhet object.

(b) Verhoog de graad van asymmetrie.

Voorbeelden:

(a) Een kant van een band is sterker dan de andere om impact metde stoeprand te kunnen weerstaan.

(b) Bij het ontladen van nat zand wordt een boog nabij de openinggevormd die irreguliere stroming veroorzaakt. Een asymmetrischetrechter elimineert dit effect.

5. Combineren

(a) Combineer objecten homogeen in ruimte of objecten voor nabur-ing gebruik.

(b) Combineer operaties homogeen in de tijd of opeenvolgende oper-aties.

Voorbeelden:

(a) Het werkend element van een draaiende graafmachine heeft eenspeciale stoomuitlaat om de bodem tegelijkertijd te ontdooien enzachter te maken.

313

6. Universaliteit

(a) Laat objecten meerder functies uitvoeren zodat de nood voor an-dere object geelimineerd wordt.

Voorbeelden:

(a) Een sofa de kan omgezet worden in een bed.

(b) Een PDA met ingebouwde GSM

7. Nesten

(a) Bevat een object in een ander object.

(b) Laat een object passeren door een ander object

Voorbeelden:

(a) Telescopische antenne.

(b) Stapelstoelen.

(c) Vulpotlood met vulling in het potlood.

8. Tegengewicht

(a) Compenseer het gewicht van een object door het toevoegen vaneen ander object dat liftkracht genereert.

(b) Compenseer het gewicht van een object door interactie met deomgeving zodat aerodynamische of hydrodynamische krachten wor-den ontwikkeld

Voorbeelden:

(a) Boot met hydrofoils.

(b) Een achterspoiler in racewagens om de druk van de wagen op degrond te verhogen.

(c) hoek van windturbine schoepen wordt aangepast om toerental con-stant te houden.

9. Voorafgaandelijke tegen-actie

(a) Indien het noodzakelijk is om een actie te ondernemen, neem danvooraf tegenactie in overweging.

(b) Indien de probleemstelling een trekkracht heeft, voorzie tegen-trekkracht op voorhand.


Voorbeelden:

(a) Voorgespannen beton.

(b) Voorgespannen as.

10. Voorafgaangelijk actie

(a) Onderneem de nodig actie volledig of gedeeltelijk vooraf.

(b) Orden objecten zodat actie kan worden ondernomen zonder wachten.

Voorbeelden:

(a) Breekmes dat kan worden afgebroken wanneer het bot is.

(b) Tippex in tapevorm.

11. Op voorhand opvangen

(a) Compenseer een relatief lage betrouwbaarheid door op voorhandtegenacties te ondernemen.

Voorbeelden:

(a) Om winkeldiefstal tegen te gaan worden gemagnetiseerde badgesaan de waren bevestigd.

12. Equipotentialiteit

(a) Verander de arbeidscondities zodat een object niet opgehoffen ofgezakt moet worden.

Voorbeelden:

(a) Het vervangen van olie gebeurt in een put zodat de wagen nietmoet worden opgekrikt.

13. Inversie

(a) In plaats van een actie naar de specificaties van het probleem iseen tegengestelde actie geımplementeerd.

(b) Maak een bewegend gedeelte van een object of de omgeving on-verplaatsbaar en maak niet bewegende delen beweegbaar.

(c) Draai een object om.

Voorbeelden:

315

(a) Abrasief schoonmaken door de onderdelen aan het trillen te bren-gen i.p.v. het schuurmiddel.

14. Sferoidaliteit

(a) Vervang rechtlijnige of vlakke onderdelen met gegolfde onderdelen.

(b) Gebruik rollers, bollen, spiralen.

(c) Vervang rechtlijnige beweging met roterende beweging, gebruikcentrifugale kracht

Voorbeelden:

(a) Computer muis gebruikt een bal om lineaire beweging in tweeassen om te zetten in vector beweging.

15. Dynamiciteit

(a) Laat de karacteristieken van een object of omgeving zich automa-tisch aanpassen voor optimale performantie.

(b) Verdeel objecten in elementen die hun relatieve positie kunnenaanpassen.

(c) Als een object niet beweegbaar is maak het beweegbaar.

Voorbeelden:

(a) Een flitslicht met een flexibele darm.

(b) Flaps bij een vliegtuig.

16. Gedeeltelijke of overdreven actie

(a) Het is moeilijk om 100% effect te bekomen. Iets meer of minderverwezenlijken kan het probleem vereenvoudigen.

Voorbeelden:

(a) Een cilinder kan geverfd worden door het in verf te dippen. Over-tollige verf wordt verwijderd door het object snel te roteren.

(b) Om een uniforme ontlading van een metaalpoeder vat te bekomenwordt de trechter overvol gedaan om een constante druk te leveren.

17. Naar een andere dimensie gaan


(a) Verwijder problemen door een object dat in een lijn te verplaatsenis twee-dimensioneel te bewegen, of een object dat in een vlakbewogen wordt in een drie-dimensionele ruimte te verplaatsen.

(b) Gebruik een meerlagige samenbouw van objecten i.p.v. een eenlagige.

(c) Inclineer objecten door ze op hun zijkant te plaatsen.

(d) Projecteer beelden op naburige gebieden of op tegenovergesteldezijdes van het object.

Voorbeelden:

(a) Een serre die een concave reflector heeft aan de noordkant ombelichting aan die zijde te bevorderen.

18. Mechanische trilling

(a) Laat een object oscilleren.

(b) Als oscillatie bestaat, laat de frequentie toenemen (zelfs tot in hetultrasoon gebied).

(c) Gebruik de resonantiefrequentie.

(d) I.p.v. mechanische trillingen gebruik piezoactuatoren.

(e) Gebruik mechanische trilligen tesamen met een electromagnetischveld.

Voorbeelden:

(a) Om een gipsverband te verwijderen zonder huidletsel wordt eenhandzaag vervangen door een trillend mes.

(b) Breng een mal aan het trillen tijdens de vulling om de stromingen de structurele eigenschappen be verbeteren.

19. Periodische actie

(a) Vervang een continue actie met een periodische of impuls actie.

(b) Verander de frequentie van een periodische actie.

(c) Gebruik pauzes tussen periodische acties

Voorbeelden:

(a) Een impact sleutel lost gecorrodeerde moeren beter dan een con-tinue.

317

(b) Een flitslamp wordt beter opgemerkt dan een continue lamp.

20. Continuıteit van zinvolle actie

(a) Voer een actie uit zonder onderbreking - alle onderdelen van eenobject moeten constant op volle capaciteit werken.

(b) Verwijder alle nietsdoende en intermediaire bewegingen.

Voorbeelden:

(a) Een boor met snijranden laat snijden in voorwaartse en achter-waartse beweging toe.

21. Erdoorheen haasten

(a) Voer een schadelijke of gevaarlijke operatie met een zeer hoge snel-heid.

Voorbeelden:

(a) Een snijmachine voor dunwandige buizen maakt dat de buizenniet vervormen door zeer snel te bewegen.

22. Schade in voordeel omzetten

(a) Gebruik een schadelijke factor of effect van een omgeving om eenpositief effect te bekomen.

(b) Verwijder een schadelijke factor door het toevoegen van een anderschadelijke factor.

(c) Verhoog de hoeveelheid schadelijke actie totdat het ophoud schadelijkte zijn

Voorbeelden:

(a) Zand bevriest gedurende het transport door een koud klimaat.Door het over-vriezen m.b.v. vloeibare stikstof kan het gegotenworden.

(b) Met behulp van hoogfrequentie elektrische stroom wordt alleende buitenste laag opgewarmd. Dit effect werd later gebruikt alsoppervlakte warmte behandeling.

23. Feedback

(a) Introduceer feedback.


(b) Keer de feedback om.

Voorbeelden:

(a) Waterdruk uit een bron wordt constant gehouden door de druk temeten een met een pomp het waterniveau bij te regelen.

(b) Lawaai reducerende apparaten meten het geluid en spelen hetgemeten geluid in tegenfase af.

24. Mediator

(a) Gebruik een intermediair object om een actie te transfereren ofuit te voeren.

(b) Verbind tijdelijk een object aan een ander object dat eenvoudigte verwijderen is.

Voorbeelden:

(a) Om energieverlies te reduceren bij het gebruik van een elektrischestroom wordt een intermediair vloeibaar metaal met een lageresmelttemperatuur gebruikt.

25. Self-service

(a) Maak het object zelf onderhoudend en zorg dat het additionele enherstelwerken kan uitvoeren.

(b) Maak gebruik van het afval van materiaal of energie.

Voorbeelden:

(a) Om schuurmiddel op pletwalsen gelijk te verdelen wordt het op-pervlak gemaakt van hetzelfde schuurmiddel.

(b) In een elektrisch lasapparaat wordt de voortstuwing van de lasstanggecontroleerd door de lasstroom.

26. Kopieeren

(a) Gebruik eenvoudige en goedkope kopie in plaats van een objectdat complex, duur, fragiel en moeilijk te bedienen is.

(b) Vervang een object of een systeem van objecten door optischecopieen.

(c) Wanneer zichtbare optische kopieen worden gebruikt, vervang zedoor infrarode of ultraviolette exemplaren.

319

Voorbeelden:

(a) De hoogte van grote objecten kan gemeten worden door hun schaduwte meten.

27. Een goedkoop object met kort leven i.p.v. een duurzaam

(a) Vervang een duur object door een collectie goedkope.

Voorbeelden:

(a) Wegwerpluiers.

(b) Een muizenval met een konische opening waar de muis niet meeruit kan.

28. Vervanging van een mechanisch systeem

(a) Vervang een mechanisch systeem door optische, akoestische ofreuksystemen.

(b) Gebruik elektrische, magnetisch of elektromagnetische velden voorde interactie met objecten.

(c) Vervang velden: stationair door bewegend, vast door veranderend,random door gestructureerd.

(d) Gebruik een veld tesamen met ferro-magnetische partikels.

Voorbeelden:

(a) Om de binding tussen een metaalcoating en een thermoplast teverbeteren wordt het proces uitgevoerd in een elektromagnetischveld om een kracht op het materiaal toe te passen.

29. Gebruik een pneumatische of hydraulische constructie

(a) Vervang solide onderdelen van een object door gas of vloeistof.

Voorbeelden:

(a) Om de tocht in een industriele schoorsteen te verhogen wordt eenspiraalvormige pijp met een tuit gebruikt. Wanneer de lucht doorde tuit stroom creeert het een muur van lucht die de drag verlaagd.

(b) Voor het vervoer van fragiele producten worden enveloppes metluchtkussens gebruikt.

30. Flexibele of dunne membramen


(a) Vervang algemene objecten door flexibele membranen of dunnefilmen.

(b) Isoleer een object van de buitenomgeving door een dunne film ofmembraan.

Voorbeelden:

(a) Om het verlies van water dat verdampt van planten wordt eenpolyethylene spray gebruikt. Hierdoor groeit de plant beter.

31. Gebruik poreus materiaal

(a) Maak een object poreus door het toevoegen van extra poreuzeelementen.

(b) Als een object reeds poreus is, vul de porieen op voorhand meteen substantie.

Voorbeelden:

(a) Om het oppompen van koelvloeistof van een machine ter vermi-jden worden sommige onderdelen gevuld met poreus materiaal(poreus poedermetaal) dat gedrenkt wordt in koelvloeistof dat ver-dampt als de machine in werking is. Dit levert een korte termijnuniforme koeling.

32. Verander de kleur

(a) Verander de kleur van een object of de omgeving.

(b) Verander de doorzichtigheid van een object of zijn omgeving.

(c) Gebruik gekleurde additieven om processen te visualiseren die diemoeilijk te observeren zijn.

(d) Indien zulke additieven reeds gebruikt worden gebruik oplichtendespoorelementen.

Voorbeelden:

(a) Een transparant bandage die het inspecteren van de wonde mo-gelijk maakt.

(b) In staal walsen wordt een watergordijn ontwikkeld om arbeiders tebeschermen van overhitting. Dit gordijn werkt alleen voor infra-rood licht. Door het toevoegen van een kleur aan het licht wordteen filter effect bereikt.

321

33. Homogeneity

(a) Laat een object interageren met een primair object van hetzelfdemateriaal of een materiaal dat vergelijkbaar is qua gedrag.

Voorbeelden:

(a) Het oppervlak van een voeding voor schuurkorrels is gemaakt vanhetzelfde materiaal dat door de voeding loopt. Dit Maakt dat eencontinue restoratie van het oppervlak mogelijk is zonder slijtage.

34. Regenereren en afwijzen van onderdelen

(a) Na het vervolledigen van de functie verwerp of wijzig een elementof object.

(b) Restitueer gebruikte onderdelen.

Voorbeelden:

(a) Kogelhulzen worden weggeschoten na een schot.

(b) Raket boosters worden afgescheiden na de lancering.

35. Transformatie van fysische en chemische statussen van een object

(a) Verander de status van een object, concentratie of dichtheid, graadvan flexibiliteit, de temperatuur.

Voorbeelden:

(a) In een systeem voor broze materialen wordt het oppervlak vaneen voedingsschroef gemaakt van een elastisch materiaal met tweespiraalveren. Om het proces te controleren wordt de snelheid vande schroef vanop afstand verandert.

36. Fase transitie

(a) Implementeer een effect ontwikkeld gedurende de transitie fasevan een substantie (verandering van volume, vrijkomen van hitteof absorptie).

Voorbeelden:

(a) Om de uitzetting van geribde pijpen te controleren worden zegevuld met water en gekoeld tot een vriestemperatuur.


37. Thermische expansie

(a) Gebruik expansie of contractie van een materiaal door warmte.

(b) Gebruik verschillende materialen met verschillende uitzettingscoefficienten.

Voorbeelden:

(a) Om de opening van een dakvenster in een serre te controlerenworden bimetaal platen gebruikt die het raam met een veranderingvan temperatuur openen of sluiten.

38. Gebruik sterke oxidatoren

(a) Vervang lucht door verrijkte lucht.

(b) Vervang verrijkte lucht door zuurstof.

(c) Behandel in lucht of in zuurstof met ioniserende straling.

(d) Gebruik geioniseerde zuurstof.

Voorbeelden:

(a) Om meer warmte uit een lasappraat te verkrijgen wordt zuurstofi.p.v. lucht gebruikt.

39. Voeg een omgeving toe

(a) Vervang de normale omgeving met een inerte.

(b) Voer het proces uit in vacuum.

Voorbeelden:

(a) Om te vermijden dat katoen vuur vat in een opslagplaats wordthet behandeld met een inert gas gedurende transport en stockage.

40. Samengestelde materialen

(a) Vervang een homogeen materiaal door een composietmateriaal.

Voorbeelden:

(a) Militaire vliegtuigvleugels.

Bibliografie

[1] G. S. Altschuller. Creativity as an exact science: the theory of the solu-tion of inventive problems. Gordon and Brach Science Publishers, NewYork.

[2] D.E. Carter and B.S. Baker. Concurrent engineering: the product de-velopment environment for the 1990s. Addison-Wesley, Reading, Mass,1992.

[3] G. E. Dieter. Engineering Design, A Materials and Processing Approach.McGraaw-Hill, New York, 1986.

[4] S. Donders and H. Van der Auweraer. Engineering approach for robustvibro-acoustic design optimization. In Proceedings of the 16th ISAACSeminar (International Seminar on Advanced Techniques in Applied andNumerical Acoustics), 2004.

[5] H. Eschenauer, N. Olhoff, and W. Schnell. Applied Structural Mechanics.Springer-Verlag, Berlin, Germany, 1997.

[6] R. Fletcher. Practical Methods of Optimization. Volume 1: uncon-strained optimization. John Wiley & Sons, New York, USA, 1980.

[7] R. Fletcher. Practical Methods of Optimization. Volume 2: constrainedoptimization. John Wiley & Sons, New York, USA, 1980.

[8] D. Goldberg. Genetic Algorithms in search, optimization and machinelearing. Addison Wesley, Reading, USA, 1989.

[9] J. R. Hauser and D. Clausing. The house of quality. Harvard BusinessReview, May-June, 1988.

[10] N. Kano, N. Seraku, F. Takahashi, and S. Tsuji. Attractive quality andmust-be quality. Journal of the Japanese Society for Quality Control,pages 39–48, 1984.

363

364 BIBLIOGRAFIE

[11] G. E. Moore. Cramming more components onto integrated circuits.Electronics, 38(8), 1965.

[12] NN. Werktuigbouwkundig Ontwerpen en Construeren. tenHagenStamuitgevers, Den Haag.

[13] NN. A Guide to the Project Management Body of Knowledge. ProjectManagement Institute, Pennsylvania, USA, 2000.

[14] NN. Software in design. Cursustext Faculteit Industrieel Ontwerpen,Technische Universiteit Delft, 2004.

[15] B. Prasad. Concurrent engineering fundamentals. Prentice Hall, Engle-wood Cliffs, N.J., 1996.

[16] D. G. Ullman. The Mechanical Design Process. McGraw-Hill, New York,3rd edition edition, 2003.

[17] K. Ulrich and S. A. Pearson. Assessing the importance of design throughproduct archaeology. Management Science, 44(3):352–269, 1998.

[18] Paul Verhaert. De praktijk van de productontwikkeling. ACCO, Leuven.

[19] Akoa Y. New product development and quality assurance - qualitydeployment system. Quality Control, 25(4):7–14, 1972.

[20] T. Zang, M. Hemsch, M. Hilburger, S. Kenny, P. Maghami J. Luckring,S. Padula, and Virginia W. Jefferson Stroud Langley Research Cen-ter, Hampton. Needs and opportunities for uncertainty-based multi-disciplinary design methods for aerospace vehicles. Technical ReportNASA/TM-2002-211462, NASA, Langley Research Center, 1992.

[21] F. Zwicky. Discovery, Invention, Research - Through the MorphologicalApproach. The MacMillan Company, Toronto.

[22] F. Zwicky. The Morfological Method of Analysis and Construction.Courant Anniversary Volume. Wiley-Interscience, New York.

Cursusnota's Ontwerpmethodologie les 1

Documents

Transcript of Cursusnota's Ontwerpmethodologie les 1